DE3787517T2

DE3787517T2 - Halbleiteranordnung mit konstantem Strom.

Info

Publication number: DE3787517T2
Application number: DE87402927T
Authority: DE
Inventors: Yuji Awano
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1986-12-20
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2007-12-19
Also published as: JPS63156366A; EP0272985A3; JPH07120807B2; EP0272985B1; DE3787517D1; EP0272985A2; US4914489A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Konstantstromhalbleiteranordnung, und im besonderen auf eine Konstantstromhalbleiteranordnung, die als Strombegrenzer, wie eine Konstantstromdiode, verwendet werden kann.
Wie wohlbekannt ist, finden Konstantstrombegrenzer, die dazu bestimmt sind, das Fließen eines übermäßigen Stromes in einer Schaltung zu verhindern, breite Verwendung. Herkömmlicherweise wird ein Transistor als Konstantstrombegrenzer verwendet. Vor kurzem sind Konstantstrombegrenzer vorgeschlagen worden, die mit einer Halbleiterdiode implementiert sind. Ein Beispiel von diesen Konstantstrombegrenzern ist in Zuleeg, IEEE, EDL-1 Nr. 11, S. 234, 1980, offenbart. Der durch Zuleeg vorgestellte Konstantstrombegrenzer ist eine Konstantstromdiode, die aus einer Katodenelektrode, einer n&spplus;-Typ-GaAs-Kontaktschicht der Katodenseite, einer aktiven n-Typ-GaAs-Schicht, einer n&spplus;- Typ-GaAs-Kontaktschicht der Anodenseite und einer Anodenelektrode besteht. Ein Merkmal dieses Strombegrenzers besteht darin, daß eine Dicke der aktiven Schicht etwa 0,5 um beträgt und sehr dünn ist. Deshalb können sich Elektronen in der aktiven Schicht bewegen, ohne durch eine Gitterschwingung und eine Verunreinigungsstreuung beeinträchtigt zu werden. Mit anderen Worten, es kann ein ballistischer Transport von Elektronen realisiert werden. Wenn Elektronen in dem Zustand des ballistischen Transports sind, kann die Geschwindigkeit der Elektronen die höchste bei Halbleitern zulässige Geschwindigkeit erreichen. Als Resultat wird in dem Fall, wenn die Elektronendichte im Zustand des ballistischen Transports dieselbe wie jene im Zustand des durch Kollision dominierten Transports ist, die Stromdichte im Zustand des ballistischen Transports am höchsten. Mit anderen Worten, der ballistische Transport von Elektronen macht es möglich, einen Strombegrenzer herzustellen, der mit dem kleinsten Halbleiterbereich denselben begrenzten Strom hat. In diesem Fall wird fast die gesamte Spannung, die dem Strombegrenzer zugeführt wird, in eine kinetische Energie &epsi; von Elektronen umgesetzt. Aus diesem Grund kann, wenn die zugeführte Spannung fast dieselbe ist wie ΔEGaAs/e (ΔEGaAs ist eine Zwischental-Energiedifferenz bei der aktiven Schicht und ist ein absoluter Wert einer Ladung eines Elektrons), die Zwischental-Übertragung von Elektronen realisiert werden, bei der sich die Elektronen von einem Γ- Tal in ein L-Tal der aktiven Schicht bewegen, und somit wird ein Strom, der aus der Bewegung der Elektronen resultiert, gesättigt. Daher wird der Strom bei der obigen Spannung konstant. Die zugeführte Spannung, die die Stromsättigung verursacht, wird Stromsättigungsspannung genannt.
Wie oben beschrieben, hängt die Stromsättigungsspannung von ΔEGaAs ab, welches ein Eigenwert der aktiven GaAs-Schicht ist. Demzufolge liegt ein Wert der Stromsättigungsspannung fest. Mit anderen Worten, es ist unmöglich, beliebige Werte der Stromsättigungsspannung auszuwählen. Im allgemeinen wird der Strombegrenzer zum Schutz gegen übermäßige Ströme verwendet, die Schaltungen durchfließen. Deshalb ist es erforderlich, daß der Strombegrenzer eine Betriebsbedingung haben sollte, die für eine Schaltung optimiert ist, auf die der Strombegrenzer angewendet wird. Dies bedeutet, daß der herkömmliche Strombegrenzer nur für beschränkte Anwendungen nützlich ist.
Zur Zeit sind aktive Elemente, die durch Laminieren von Verbindungshalbleiterschichten in einer Richtung gebildet sind, vorgeschlagen und als elektronische Anordnungen hergestellt worden. Beispiele davon sind eine Resonanzdurchtunnelungsdiode (im allgemeinen RD genannt), ein Transistor auf der Grundlage heißer Elektronen mit Resonanztunneleffekt (im allgemeinen RHET genannt), ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (im allgemeinen HEMT genannt), ein Bipolartransistor mit Heteroübergang (im allgemeinen HBT genannt) und ein Resonanzdurchtunnelungs- Bipolartransistor (im allgemeinen RBT genannt). Wie oben beschrieben, sind diese Halbleiteranordnungen aktive Elemente, die durch Wachsen von Verbindungshalbleiterschichten in einer Richtung gebildet sind. Für ein spezifisches Beispiel siehe SOLID STATE ELECTRONICS, Bd. 23, 1980, Seiten 599-603, Pergamon Press Ltd. Oxford, GB.; A. Chandra et al: "A study of the conduction properties of rectifying nGaAsn(Ga,Al)As heterojunctions", worin eine Anordnung offenbart ist, die der Präambel von Anspruch 1 entspricht. Um Schaltungen, die durch den RBT, RHET, HBT oder HEMT gebildet sind, vor übermäßigen Strömen zu schützen, ist es wünschenswert, den Strombegrenzer, der laminierte Verbindungshalbleiterschichten in einer Richtung hat, in die Struktur des RBT, RHET, HBT oder HEMT einzubauen. Mit anderen Worten, es wird ein Strombegrenzer gewünscht, der eine Struktur hat, die an die Struktur des RBT, RHET oder HEMT angepaßt ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge ist es eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und zweckmäßige Konstantstromhalbleiteranordnung vorzusehen, bei der die oben beschriebenen Nachteile beseitigt worden sind.
Eine spezifischere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Konstantstromhalbleiteranordnung vorzusehen, bei der eine beliebige Stromsättigungsspannung über einen breiten Spannungsbereich gewählt werden kann.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Konstantstromhalbleiteranordnung vorzusehen, die mit Halbleiteranordnungen wie dem RBT, RHET, HBT oder HEMT geeignet kombiniert werden kann.
Die vorstehenden Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden bei einer Halbleiteranordnung erfüllt, die eine erste aktive Halbleiterschicht umfaßt und eine zweite aktive Halbleiterschicht, deren Material sich von der ersten aktiven Schicht unterscheidet und die zusammen mit der ersten aktiven Schicht einen Heteroübergang bildet. Eine Zwischental-Energiedifferenz ΔE&sub1; der ersten aktiven Schicht, die eine Differenz bei der Energie zwischen den Böden der Täler mit der niedrigsten und der zweitniedrigsten Energie in dem Leitungsband der ersten aktiven Schicht ist, unterscheidet sich von einer Zwischental-Energiedifferenz ΔE&sub2; der zweiten aktiven Schicht, die eine Differenz bei der Energie zwischen den Böden der Täler mit der niedrigsten und
der zweitniedrigsten Energie in dem Leitungsband der zweiten aktiven Schicht ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Zwischental-Differenz ΔE&sub2; der zweiten aktiven Schicht so eingestellt, daß eine Stromsättigungsspannung, bei der ein Strom, der die Halbleiteranordnung durchfließt, gesättigt wird, gleich oder größer als ΔE&sub2;/e ist, wobei ein absoluter Wert einer Ladung eines Elektrons ist.
Andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Konstantstromhalbleiteranordnung;
Fig. 2A bis 2C sind Energiebanddiagramme der in Fig. 1 gezeigten Halbleiteranordnung;
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die einen Anodenstrom in Abhängigkeit von einer Anodenspannungskennlinie der in Fig. 1 gezeigten Halbleiteranordnung zeigt;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Teils einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5A und 5B sind Energiebanddiagramme der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform;
Fig. 6 ist eine grafische Darstellung eines Anodenstroms in Abhängigkeit von einer Anodenspannungskennlinie der in Fig. 4 gezeigten Halbleiteranordnung;
Fig. 7A ist ein Energiebanddiagramm einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7B ist eine grafische Darstellung zum Erläutern einer Veränderung eines Al-Gehaltes einer aktiven n- Typ-AlGaAs-Schicht in Fig. 7A;
Fig. 7C ist ein Energiebanddiagramm von noch einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7D ist eine grafische Darstellung zum Erläutern einer Veränderung eines Al-Gehaltes einer aktiven n- Typ-AlGaAs-Schicht in Fig. 7C;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht, die auf der Grundlage der in Fig. 7A und 7B gezeigten Merkmale hergestellt wurde;
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, die einen Anodenstrom in Abhängigkeit von Anodenspannungskennlinien der in Fig. 8 gezeigten Halbleiteranordnung zeigt;
Fig. 10 ist ein Energiebanddiagramm von noch einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist eine grafische Darstellung, die einen Anodenstrom in Abhängigkeit von einer Anodenspannungskennlinie der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform zusammen mit dem Anodenstrom in Abhängigkeit von der Anodenspannungskennlinie der herkömmlichen Halbleiteranordnung zeigt;
Fig. 12A ist eine Querschnittsansicht einer Halbleiteranordnung, bei der die Konstantstromhalbleiteranordnung und der herkömmliche HEMT auf einem gemeinsamen Substrat gebildet sind; und
Fig. 12B ist ein Schaltungsdiagramm der in Fig. 12A gezeigten Halbleiteranordnung.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG

Zuerst erfolgt eine Beschreibung des Strombegrenzers, der durch Zuleeg vorgestellt und zuvor kurz beschrieben wurde.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines wesentlichen Teils des Strombegrenzers. Wie in dieser Figur dargestellt, umfaßt der Strombegrenzer eine Katodenelektrode 11, eine n&spplus;-Typ-GaAs-Katodenkontaktschicht 12, eine n-Typ- GaAs-Schicht 13, eine n&spplus;-Typ-GaAs-Anodenkontaktschicht 14 und eine Anodenelektrode 15. Wie zuvor beschrieben, beträgt eine Dicke der aktiven Schicht 13 etwa 0,5 um und ist sehr dünn. Deshalb können sich Elektronen in der aktiven Schicht bewegen, ohne durch eine Gitterschwingung und Verunreinigungsstreuung beeinträchtigt zu werden. Mit anderen Worten, es kann ein ballistischer Transport von Elektronen realisiert werden. In diesem Fall wird fast die gesamte Spannung, die über die Katoden- und Anodenelektroden 11 und 15 anliegt, in die kinetische Energie &epsi; der Elektronen umgesetzt. Wenn die angelegte Spannung fast dieselbe ist wie ΔEGaAs/e (ΔEGaAs ist eine Zwischental-Energiedifferenz der aktiven Schicht und e ist ein absoluter Wert einer Ladung eines Elektrons), tritt aus diesem Grund ein Übergang von Elektronen auf, bei dem sich die Elektronen von einem Γ-Tal in ein L-Tal in der aktiven Schicht bewegen, und ein Strom, der aus der Bewegung der Elektronen resultiert, wird gesättigt. Somit wird der Strom konstant, wenn die Stromsättigungsspannung zugeführt wird.
Fig. 2A bis 2C sind jeweils Energiebanddiagramme zum Erläutern des in Fig. 1 gezeigten Strombegrenzers. In diesen Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie jene in Fig. 1 dieselben Teile oder haben dieselben Bedeutungen. Die Zeichen ECG und ECL bezeichnen Böden von Γ- bzw. L- Tälern eines Leitungsbandes. Ein Zeichen ΔEGaAs bezeichnet eine Zwischental-Energiedifferenz in der GaAs-Schicht 13.
Ein Zeichen qe bezeichnet ein Elektron und &epsi; bezeichnet eine kinetische Energie des Elektrons qe. Ferner bezeichnen VA1 und VA2 Anodenspannungen.
Fig. 2A ist ein Energiebanddiagramm, wenn dem Strombegrenzer keine Spannung zugeführt wird. In diesem Fall beträgt die Zwischental-Energiedifferenz ΔEGaAs etwa 0,3 (eV). Elektronen qe eines Trägers sind in dem Γ-Tal ECG vorhanden, welches das niedrigste Energieniveau ist.
Fig. 2B ist ein Energiebanddiagramm, wenn dem Strombegrenzer eine Spannung VA1 zugeführt wird. Die Spannung VA1 genügt der folgenden Ungleichung:
VA1 ≤ Vp
wobei Vp die zuvor erwähnte Stromsättigungsspannung ist. Wie in dieser Figur klar gezeigt ist, ist die Energie der Elektronen qe im Vergleich zu der in Fig. 2A gezeigten Sättigung erhöht. Bei dem obigen Spannungsbereich kann jedoch die Energie der Elektronen die Zwischental-Energiedifferenz ΔEGaAs nicht überschreiten. Deshalb bleiben alle Elektronen noch in dem Γ-Tal ECG.
Fig. 2C ist ein Energiebanddiagramm, wenn dem Strombegrenzer eine Spannung VA2 zugeführt wird. Die Spannung VA2 genügt der folgenden Ungleichung:
VA2 ≥ Vp.
Diese Spannungsbedingung macht die aktive Schicht dünn. Deshalb weist das Verhalten der Elektronen die Erscheinung des ballistischen Transports auf. Zu dieser Zeit kann die Energie von Elektronen auf ein Energieniveau erhöht werden, das der zugeführten Spannung VA2 entspricht. Somit können die Elektronen die Zwischental-Energiedifferenz durchqueren und in das L-Tal ECL eintreten. Eine effektive Masse von jedem Elektron qe in dem L-Tal beträgt etwa 0,35 m&sub0; (m&sub0; ist eine Ruhemasse des Elektrons in einem Vakuum). Andererseits beträgt eine effektive Masse von jedem Elektron qe in dem Γ- Tal etwa 0,07 m&sub0;. Deshalb beträgt die effektive Masse des Elektrons in dem L-Tal ECL das Fünffache der effektiven Masse des Elektrons in dem Γ-Tal ECG. Außerdem werden die Elektronen in dem L-Tal ECL häufiger gestreut als die Elektronen in dem Γ-Tal ECG. Aus diesen Gründen nimmt die Geschwindigkeit der Elektronen abrupt ab, wenn die Elektronen in das L-Tal ECL eintreten. Dann bilden die Elektronen eine Anreicherungsschicht in dem L-Tal ECL, wodurch die Stromsättigung verursacht wird. Das heißt, selbst wenn die dem Strombegrenzer zugeführte Spannung erhöht wird, wird die zugeführte Spannung in der Anreicherungsschicht verbraucht und der Strom wird nicht weiter erhöht.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung eines Anodenstroms IA in Abhängigkeit von einer Anodenspannung VA zum Erläutern des Auftretens der Stromsättigung bei dem in Fig. 1 gezeigten Strombegrenzer. In dieser Figur bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie jene in den vorhergehenden Figuren dieselben Teile oder haben dieselbe Bedeutung. Die horizontalen und vertikalen Achsen der grafischen Darstellung bezeichnen die Anodenspannung VA bzw. den Anodenstrom IA. Eine durchgehende Linie, die durch ein Bezugszeichen Z bezeichnet ist, ist eine Kennlinie des Strombegrenzers, der zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2A bis 2C beschrieben wurde. Eine unterbrochene Linie zeigt eine Kennlinie des Raumladungsbegrenzungsstromes, bei der der Strom längs der Linie V3/2 begrenzt wird.
Wie zuvor erörtert, hängt die Stromsättigungsspannung des herkömmlichen Strombegrenzers von ΔEGaAs ab, welches ein Eigenwert der aktiven GaAs-Schicht 13 ist. Deshalb steht ein Wert der Stromsättigungsspannung fest. Mit anderen Worten, es ist unmöglich, beliebige Werte der Stromsättigungsspannung zu wählen. Im allgemeinen wird der Strombegrenzer zum Schutz vor übermäßigen Strömen in Schaltungen verwendet. Deshalb ist es erforderlich, daß der Strombegrenzer eine optimale Bedingung für eine Schaltung haben sollte, auf die der Strombegrenzer angewendet wird. Dies bedeutet, daß der herkömmliche Strombegrenzer nur für beschränkte Anwendungen nützlich ist.
Deshalb ist die vorliegende Erfindung hauptsächlich darauf gerichtet, Verfahren zu offenbaren, die es ermöglichen, Stromsättigungsspannungen Vp des Strombegrenzers über den breiten Spannungsbereich beliebig auszuwählen. Zu diesem Zweck ist eines der wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung das Vorhandensein einer aktiven Schicht, die aus Halbleiterschichten unterschiedlichen Typs mit einem Heteroübergang besteht, der in der Lage ist, einen Zwischental-Elektronenübergangseffekt, der in einer aktiven Schicht auftritt, zu steuern.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt von wesentlichen Teilen einer Ausführungsform einer Konstantstromhalbleiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Konstantstromhalbleiteranordnung umfaßt eine Katodenelektrode 21, eine n&spplus;-Typ-GaAs-Kontaktschicht 22 der Katodenseite, eine aktive n-Typ-GaAs-Schicht 23, eine aktive n-Typ-AlGaAs- Schicht 24, eine n&spplus;-Typ-AlGaAs-Kontaktschicht 25 der Anodenseite und eine Anodenelektrode 26. Der Heteroübergang ist an einer Grenzfläche zwischen der aktiven n-GaAs-Schicht 23 und der aktiven n-AlGaAs-Schicht 24 gebildet. Die aktive n-Typ- GaAs-Schicht 23 ist sehr dünn, zum Beispiel 0,5 (um), um den ballistischen Transport von Elektronen zu gewährleisten. Die Schicht kann zum Beispiel durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) wachsen.
Fig. 5A und 5B sind jeweils Energiebanddiagramme zum Erläutern der Operation der in Fig. 4 gezeigten Konfiguration. In Fig. 5A und 5B bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie jene in Fig. 2A bis 2C dieselben Teile oder haben dieselben Bedeutungen. In Fig. 5A und 5B ist ein Zeichen ΔEAlGaAs eine Zwischental-Energiedifferenz der aktiven AlGaAs-Schicht 24 oder eine Differenz der Energie zwischen dem L-Tal ECL und dem Γ-Tal ECG, und ein Zeichen VA ist eine Anodenspannung.
Fig. 5A ist das Energiebanddiagramm, das erhalten werden kann, wenn der Halbleiteranordnung keine Spannung zugeführt wird oder wenn die Anodenspannung VA = 0 ist. Fig. 5B ist das Energiebanddiagramm, das erhalten wird, wenn der Halbleiteranordnung eine Spannung zugeführt wird, die VA ≥ ΔEAlGaAs/e entspricht. Aus Fig. 5A geht hervor, daß die Zwischental-Energiedifferenz ΔEAlGaAs in der AlGaAs-Schicht 24 kleiner als die Zwischental-Energiedifferenz ΔEGaAs in der GaAs-Schicht 23 ist. Deshalb gestatten selbst Spannungen, die niedriger als jene in dem in Fig. 2C gezeigten Fall sind, daß die Zwischental-Übertragung von Elektronen auftritt. Das heißt, die Anodenspannung VA (≥ ΔEAlGaAs/e) kann die Elektronen qe von dem Γ-Tal ECG zu dem L-Tal ECL übertragen. Die Zwischental-Energiedifferenz ΔEAlGaAs in der aktiven n-AlGaAs-Schicht 24 ist durch geeignetes Auswählen eines Al-Gehaltes davon steuerbar. Bei der ersten Ausführungsform ist der Al-Gehalt der aktiven n- AlGaAs-Schicht 24 gleich oder kleiner als etwa 0,4 und ist in ihrer Dickenrichtung gleichmäßig.
Fig. 6 zeigt einen Anodenstrom IA in Abhängigkeit von der Anodenspannungskennlinie VA der Konfiguration, die unter Bezugnahme auf Fig. 4, 5A und 5B erläutert wurde. In Fig. 6 bezeichnen dieselben Zeichen wie jene in den vorhergehenden Figuren dieselben Elemente oder haben dieselben Bedeutungen. Die horizontalen und vertikalen Achsen der in Fig. 6 gezeigten grafischen Darstellung bezeichnen die Anodenspannung VA und den Anodenstrom IA. Eine durchgehende Linie UA1 ist auch eine Kennlinie der Ausführungsform, und eine unterbrochene Linie Z ist die Kennlinie der Konfiguration, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Aus dem Vergleich zwischen Fig. 3 und 6 geht hervor, daß gemäß der Ausführungsform die Konstantstromkennlinie bei einem Wert der Spannung VA (etwa 0,3 (V)) gezeigt ist, der niedriger als jener bei der herkörninlichen Anordnung ist.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten unter Bezugnahme auf Fig. 7A und 7B beschrieben.
Wie zuvor beschrieben, ist der Al-Gehalt der aktiven n-AlGaAs-Schicht 24, die in Fig. 4 gezeigt ist, über ihre Dickenrichtung gleichmäßig. Andererseits besteht eines der wesentlichen Merkmale der in Fig. 7A und 7B gezeigten Ausführungsform darin, daß der Al-Gehalt des n-AlGaAs kontinuierlichen verändert oder abgestuft ist und dadurch die Zwischental-Energiedifferenz ΔEAlGaAs im realen Raum verändert wird.
Fig. 7A ist ein Energiebanddiagramm dieser Ausführungsform, und Fig. 7B ist eine grafische Darstellung, die eine Veränderung des Al-Gehaltes des n-AlGaAs zeigt. Eine abgestufte aktive n-Typ-AlGaAs-Schicht 24a bildet den Heteroübergang zusammen mit der n-GaAs-Schicht 23. In Fig. 7B zeigt die horizontale Achse y einen Abstand von der Grenzfläche zwischen den Schichten 23 und 24a zu der Kontaktschicht 25, und die vertikale Achse zeigt einen Al- Gehalt der abgestuften aktiven n-AlGaAs-Schicht 24a. Der Al- Gehalt der abgestuften aktiven n-AlGaAs-Schicht 24a steigt zu der n&spplus;-AlGaAs-Kontaktschicht 25 allmählich an. Dementsprechend verringert sich mit dem Ansteigen des Al-Gehaltes allmählich die Energie des L-Tals ECL des Leitungsbandes der abgestuften aktiven n-AlGaAs-Schicht 24a. Als Resultat verringert sich die Zwischental-Energiedifferenz ΔEAlGaAs in der abgestuften aktiven n-AlGaAs-Schicht 24a. Wie in Fig. 7A klar gezeigt ist, ist die Zwischental-Energiedifferenz ΔEAlGaAs kleiner als die Zwischental-Energiedifferenz ΔEGaAs. Somit gestatten selbst Spannungen, die niedriger als jene in dem in Fig. 2C gezeigten Fall sind, daß die Zwischental-Übertragung von Elektronen stattfindet.
Es ist zweckmäßig, den Al-Gehalt in dem Bereich von etwa 0 bis 0,4 abzustufen. Wenn der Al-Gehalt etwa 0,4 beträgt, wird die Zwischental-Energiedifferenz ΔEAlGaAs im wesentlichen gleich 0. Wie oben angegeben, wird die Energie des L-Tals ECL in Abhängigkeit von der kontinuierlichen Zunahme des Al-Gehaltes allmählich kleiner. Anstelle dieser kontinuierlichen Kurve des L-Tals ist es auch möglich, eine abrupte Energiekurve des L-Tals durch abruptes Verändern des Al-Gehaltes anzuwenden.
Bei einer Ausführungsform von Fig. 7C und 7D besteht keine Diskontinuität wie der Heteroübergang zwischen den Schichten 23 und 24a in Fig. 7A, sondern der Al-Gehalt ändert sich von der Kontaktschicht 22 der Katodenseite zu der Kontaktschicht 25 der Anodenseite allmählich, damit die Diskontinuität nicht auftritt.
Fig. 8 stellt einen Querschnitt eines wesentlichen Teils einer Konstantstromhalbleiteranordnung dar, die auf der Grundlage der in Fig. 7A und 7B gezeigten Konfiguration hergestellt wurde. Die gezeigte Konfiguration kann mit folgendem Material gebildet werden:

A. Katodenelektrode 21:

Material: AuGe/Ni/Au
Dicke: 1000(Å)/200(Å)/500(Å)

B. Kontaktschicht 22 der Katodenseite:

Material: GaAs
Dicke: 3000(Å)
Verunreinigung: Si
Verunreinigungsdichte: 1 · 10¹&sup8;(cm&supmin;³)

C. Aktive Schicht 23:

Material: GaAs
Dicke: 1000(Å)
Verunreinigung: Si
Verunreinigungsdichte: 5 · 10¹&sup6;(cm&supmin;³)

D. Abgestufte aktive Schicht 24a:

Material: AlxGa1-xAs
: 0 ≤ x ≤ 0,4 (abgestuft)
Dicke: 1000(Å)
Verunreinigung: Si
Verunreinigungsdichte: 5 · 10¹&sup6;(cm&supmin;³)

E. Kontaktschicht 25 der Anodenseite:

Material: AlxGa1-xAs
: 0 ≤ x ≤ 0,4 (abgestuft)
Dicke: 1000(Å)
Verunreinigung: Si
Verunreinigungsdichte 5 · 10¹&sup8;(cm&supmin;³)

F. Anodenelektrode

Material: AuGe/Ni/Au
Dicke: 1000(Å)/200(Å)/500(Å)
Die Dicke der abgestuften aktiven n-AlGaAs-Schicht 24a ist vorzugsweise gleich oder kleiner als 0,5 (um). Denn die ballistische Elektronenbewegung ist nötig, um effektiv zu gestatten, daß die Zwischental-Übertragung von Elektronen stattfindet. Die Dicke ist jedoch nicht auf den obigen Bereich - begrenzt. Die Zwischental-Übertragung von Elektronen hängt nicht nur von der Dicke der aktiven Schicht sondern auch von der Spannung ab, die der Anordnung zugeführt wird, falls Elektronen nicht in dem Zustand des ballistischen Transports sondern in dem Zustand des durch allgemeine Kollision dominierten Transports sind. Das heißt, je dicker die Dicke der aktiven Schicht ist, desto höher ist die benötigte Spannung. Somit kann die Zwischental-Übertragung von Elektronen durch Zuführen von höheren Spannungen stattfinden, selbst wenn die Dicke der aktiven Schicht 24a mehr als 0,5 (um) beträgt.
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung eines Anodenstromes IA in Abhängigkeit von den Anodenspannungskennlinien VA der Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf Fig. 7A, 7B und 8 erläutert wurde. In Fig. 9 bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie jene in den vorhergehenden Figuren dieselben Teile oder haben dieselben Bedeutungen. Die horizontalen und vertikalen Achsen der grafischen Darstellung von Fig. 9 stellen die Anodenspannung VA bzw. den Anodenstrom IA dar. Linien UA2 und UA3 sind Kennlinien der Dioden mit unterschiedlichem Al-Gehalt . Aus Fig. 9 geht hervor, daß Stromsättigungsspannungen von dem Al-Gehalt abhängen.
Es erfolgt eine Beschreibung von noch einer anderen Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die zuvor erläuterten Ausführungsformen verwenden den Heteroübergang einer GaAs/AlGaAs-Doppelschicht, wodurch es möglich wird, die Stromsättigungsspannungen Vp zu erzeugen, die Konstantströmen UA1, UA2 und UA3 entsprechen, die niedriger als der Konstantstrom Z bei der herkömmlichen Halbleiteranordnung sind. Jedoch ist es gemäß der vorliegenden Erfindung auch möglich, Stromsättigungsspannungen Vp zu erzeugen, die Strömen entsprechen, die höher als der Konstantstrom Z sind.
Fig. 10 ist ein Energiebanddiagramm eines Beispiels, das den Heteroübergang einer GaAs/InGaP-Doppelschicht verwendet. In Fig. 10 bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie jene in den vorhergehenden Figuren dieselben Teile oder haben dieselben Bedeutungen. Die Konstantstromhalbleiteranordnung dieser Ausführungsform umfaßt den Heteroübergang, der aus der aktiven n-GaAs- Schicht 23 und einer aktiven n-InGaP-Schicht 27 besteht. Eine n&spplus;-InGaP-Kontaktschicht 28 der Anodenseite ist auf einer Oberfläche der aktiven InGaP-Schicht 27 abgeschieden, die einer Grenzfläche des Heteroübergangs gegenüberliegt. Wie klar gezeigt ist, ist die Zwischental-Energiedifferenz ΔEInGaP der aktiven Schicht 27 größer als die Zwischental- Energiedifferenz ΔEGaAs der aktiven Schicht 23. Ein Wert der Energiedifferenz ΔEInGaP ist durch einen In-Gehalt der InGaP-Schicht steuerbar.
Die folgenden Parameter beziehen sich auf die Schichten 27 und 28 der Ausführungsform in Fig. 10:

A. Aktive Schicht 27:

Material: InGap
Dicke: 1000(Å)
Verunreinigung: Si
Verunreinigungsdichte 5 · 10¹&sup6; (cm&supmin;³)

B. Kontaktschicht 28:

Material: InGaP
Dicke: 1000(Å)
Verunreinigung: Si
Verunreinigungsdichte: 5 · 10¹&sup8;(cm&supmin;³)
Fig. 11 ist eine grafische Darstellung eines Anodenstroms IA in Abhängigkeit von der Anodenspannungskennlinie VA der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform. In Fig. 11 bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie jene in den vorhergehenden Figuren dieselben Teile oder haben dieselben Bedeutungen. Die horizontalen und vertikalen Achsen der grafischen Darstellung von Fig. 11 stellen die Anodenspannung VA bzw. den Anodenstrom IA dar. Wie klar erkennbar ist, zeigt diese Ausführungsform bei einer Anodenspannung eine Konstantstromkennlinie UA4, die höher als jene in der herkömmlichen Anordnung ist.
Wie zuvor erwähnt, kann die vorliegende Erfindung zusammen mit dem RBT, RHET, HBT oder HEMT hergestellt werden.
Fig. 12A zeigt einen Querschnitt eines wesentlichen Teils einer Halbleiteranordnung, bei der die Konstantstromhalbleiteranordnung der vorliegenden Erfindung und der HEMT auf dem gemeinsamen Substrat gewachsen sind, und Fig. 12B ist ein Schaltungsdiagramm der Anordnung von Fig. 12A.
Eine Struktur, die in Fig. 12A gezeigt ist, kann hergestellt werden, indem Schichten auf einem Substrat nacheinander wachsen und Teile von Schichten dann selektiv geätzt werden. In Fig. 12A ist eine undotierte GaAs-Schicht 31 auf einer oberen Oberfläche eines halbisolierenden GaAs- Substrats 30 abgeschieden. Eine n&spplus;-AlGaAs-Schicht 32 ist auf einer oberen Oberfläche der GaAs-Schicht 31 gewachsen. Eine n&spplus;-GaAs-Schicht 33 ist auf einer oberen Oberfläche der n&spplus;- AlGaAs-Schicht 32 abgeschieden. Eine Gateelektrode 34 eines HEMT ist auch auf der oberen Oberfläche der n&spplus;-AlGaAs- Schicht 32 abgeschieden. Die Gateelektrode 34 kann zum Beispiel aus einer Al-Schicht bestehen. Eine Sourceelektrode 35 und eine Drainelektrode 36 sind auf einer oberen Oberfläche der n&spplus;-GaAs-Schicht 33 abgeschieden. Jede der Elektroden kann aus einer AuGe/Ni/Au-Schicht bestehen. Unter den Elektroden 35 und 36 sind Legierungsschichten 37 und 38 gebildet. Eine so gebildete Struktur ist der HEMT. Eine zweidimensionale Elektronengasschicht (die im allgemeinen als 2DEG bezeichnet wird) ist durch ein Bezugszeichen 39 bezeichnet.
Auf einer Oberseite der n&spplus;-GaAs-Schicht 33 ist eine n&spplus;-AlGaAs-Schicht 40 abgeschieden. Eine Anodenelektrode 41 einer Konstantstromdiode DH ist auf einer oberen Oberfläche der n&spplus;-AlGaAs-Schicht 40 abgeschieden. Eine Dicke der n&spplus;-AlGaAs-Schicht 40 beträgt vorzugsweise etwa 0,5 (um). Eine Legierungsschicht 42 ist unter der Elektrode 41 gebildet. Die Elektrode kann aus einer AuGe/Ni/Au-Schicht bestehen. Ein Heteroübergang ist zwischen der n&spplus;-GaAs- Schicht 33 und der n&spplus;-AlGaAs-Schicht 40 gebildet. Dieser Heteroübergang unterscheidet sich von dem in Fig. 4 gezeigten Heteroübergang darin, daß der letztere zwischen der n- GaAs-Schicht 23 und der n-AlGaAs-Schicht 24 gebildet ist. Dies bedeutet, daß es möglich ist, der Bedingung ΔEAlGaAs ≤ ΔEGaAs wie in dem in Fig. 5 gezeigten Fall gerecht zu werden, selbst wenn der Grenzflächenbereich des Heteroübergangs mit einer höheren Verunreinigungsdichte (n&spplus;) wie bei dem Grenzflächenbereich der Schichten 33 und 40 dotiert ist. Natürlich kann die in Fig. 4 gezeigte Struktur anstelle der Schichten 33 und 34 verwendet werden. Ferner sei angemerkt, daß die Katode der Diode DH und das Drain des HEMT gemeinsam genutzt werden.
Es ist auch möglich, die Halbleiteranordnung in einem Zustand zu verwenden, wenn den Katoden- und Anodenelektroden 21 und 26 positive bzw. negative Spannungen zugeführt werden. In diesem Fall ist ein Anodenstrom in Abhängigkeit von der Anodenspannungskennlinie ähnlich der in Fig. 11 gezeigten Linie UA4.

Claims

1. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung mit einer ersten aktiven Halbleiterschicht (22, 23); und einer zweiten aktiven Halbleiterschicht (24, 25), deren Material sich von der genannten ersten aktiven Schicht unterscheidet und die zusammen mit der genannten ersten aktiven Schicht einen Heteroübergang bildet, bei der sich eine Zwischental- Energiedifferenz ΔE&sub1; der genannten ersten aktiven Schicht, die eine Differenz bei der Energie zwischen den Böden der Täler mit der niedrigsten und der Zweitniedrigsten Energie in dem Leitungsband der genannten ersten aktiven Schicht ist, von einer Zwischental-Energiedifferenz ΔE&sub2; der genannten zweiten aktiven Schicht, die eine Differenz bei der Energie zwischen den Böden der Täler mit der niedrigsten und der zweitniedrigsten Energie in dem Leitungsband der genannten zweiten aktiven Schicht ist, unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischental-Differenz ΔE&sub2; der zweiten aktiven Schicht so eingestellt ist, daß eine Stromsättigungsspannung, bei der ein durch die genannte Halbleiteranordnung fließender, gesättigter Strom gleich oder größer als ΔE&sub2;/e ist, wobei ein absoluter Wert einer Ladung eines Elektrons ist.

2. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste aktive Schicht eine n-GaAs-Schicht (23) und die genannte zweite aktive Schicht eine n-AlGaAs-Schicht (24) ist.

3. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Al-Gehalt der genannten n-AlGaAs-Schicht (24) so gewählt ist, um einer Bedingung zu genügen, daß die Zwischental-Energiedifferenz ΔE&sub2; der genannten zweiten aktiven Schicht kleiner als die Zwischental-Energiedifferenz ΔE&sub1; der genannten ersten aktiven Schicht ist.

4. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Al-Gehalt der genannten n-AlGaAs-Schicht (24) der genannten zweiten aktiven Schicht konstant und kleiner als oder gleich 0,4 ist.

5. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dicke der genannten n-GaAs-Schicht (23) der genannten ersten aktiven Schicht gleich oder kleiner als 0,5 (um) ist.

6. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Al-Gehalt der genannten n-AlGaAs-Schicht (24a) abgestuft ist, um sich mit einer Zunahme des Abstandes von einer Grenzfläche des genannten Heteroübergangs zu der genannten n&spplus;-AlGaAs-Schicht der genannten zweiten aktiven Schicht zu erhöhen.

7. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Al-Gehalt der genannten n-AlGaAs-Schicht (24a) abgestuft und kleiner als oder gleich 0,4 ist.

8. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Anordnung ferner eine n&spplus;-GaAs-Schicht (22) umfaßt, die auf der Oberfläche der genannten n-GaAs-Schicht (23) abgeschieden ist, die der Oberfläche gegenüberliegt, die den genannten Heteroübergang bildet, eine erste Elektrode (21), die auf der Oberfläche der genannten n&spplus;-GaAs-Schicht (22) abgeschieden ist, die der genannten n-GaAs-Schicht (23) gegenüberliegt, eine n&spplus;-AlGaAs-Schicht (25), die auf der Oberfläche der genannten n-AlGaAs-Schicht (24) abgeschieden ist, die der genannten Oberfläche gegenüberliegt, die den genannten Heteroübergang bildet, und eine zweite Elektrode (26), die auf der Oberfläche der genannten n&spplus;-AlGaAs-Schicht (25) abgeschieden ist, die dem genannten n-AlGaAs gegenüberliegt.

9. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste aktive Schicht eine n&spplus;-GaAs-Schicht (33) ist und die genannte zweite aktive Schicht eine aktive n&spplus;-AlGaAs-Schicht (40) ist.

10. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste aktive Schicht eine n-GaAs-Schicht (23) ist und die genannte zweite aktive Schicht eine n-InGaP-Schicht (27) ist.

11. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Anordnung ferner eine n&spplus;-GaAs-Schicht (22) umfaßt, die auf einer Oberfläche der genannten n-GaAs-Schicht (23) abgeschieden ist, die einer Grenzfläche des genannten Heteroübergang&sub5; gegenüberliegt, eine erste Elektrode (21), die auf einer Oberfläche der genannten n&spplus;-GaAs-Schicht (22) abgeschieden ist, die der genannten n-GaAs-Schicht gegenüberliegt, eine n&spplus;-InGaP-Schicht (28), die auf einer Oberfläche der genannten n-InGaP-Schicht (27) abgeschieden ist, die der genannten Grenzfläche gegenüberliegt, und eine zweite Elektrode (26), die auf einer Oberfläche der genannten n&spplus;-InGaP-Schicht (27) abgeschieden ist, die dem genannten n-InGaP gegenüberliegt

12. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung, die an einen Strombegrenzer für einen Transistor angepaßt ist, der ein halbisolierendes Galliumarsenid- (GaAs) Substrat (30) umfaßt; eine undotierte GaAs-Schicht (31), die auf einer oberen Oberfläche des genannten halbisolierenden GaAs- Substrats (30) abgeschieden ist; eine Aluminium-Galliumarsenid- (AlGaAs) Schicht (32), die auf einer oberen Oberfläche der genannten undotierten GaAs-Schicht (31) abgeschieden ist, wobei eine Gateelektrode (34) des genannten Transistors auf einem ersten Oberflächenabschnitt der genannten AlGaAs-Schicht (32) abgeschieden ist, und eine aktive GaAs-Schicht (33), die auf einem zweiten Oberflächenabschnitt der genannten AlGaAs-Schicht (32) abgeschieden ist, der an den ersten Oberflächenabschnitt angrenzt, wobei Drain- und Sourceelektroden (36, 35) des genannten Transistors auf der genannten aktiven GaAs-Schicht (33) abgeschieden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Halbleiteranordnung ferner eine aktive AlGaAs-Schicht (40) umfaßt, die auf einem Oberseite der genannten aktiven GaAs-Schicht (33) abgeschieden ist; und eine Anodenelektrode (41) der genannten Halbleiteranordnung auf der genannten aktiven AlGaAs-Schicht (40) abgeschieden ist, und dadurch gekennzeichnet, daß eine Katodenelektrode der genannten Halbleiteranordnung und die genannte Drainelektrode (36) des genannten Transistors gemeinsam sind.

13. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte AlGaAs-Schicht aus n&spplus;-AlGaAs und die genannte GaAs-Schicht aus n&spplus;-GaAs besteht.

14. Eine Konstantstromhalbleiteranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte AlGaAs-Schicht aus n-AlGaAs und die genannte GaAs-Schicht aus n-GaAs besteht.