DE3853026T2 - Transistor mit heissen Elektronen. - Google Patents

Transistor mit heissen Elektronen.

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Anmeldung bezieht sich auf das Gebiet aktiver Halbleiterelemente. Besonders bezieht sie sich auf Transistoren in denen ein wesentlicher Anteil des Stromes von heißen Elektronen getragen wird, einschließlich ballistischen Elektronen.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß ein Heißelektronentransistor, besonders ein ballistischer Transistor, potentiell mit Frequenzen betrieben werden könnte, die über denjenigen liegen die mit konventionellen Transistoren (Diffusionstransistoren) erreicht werden können. Siehe hierzu zum Beispiel T.E. Bell, IEEE Spectrum, Februar 1986, S. 36-38. Verschiedene Arten von Heißelektronentransistoren (HET) sind vorgeschlagen worden. Diese Anmeldung bezieht sich auf eine bestimmte Klasse von HET, nämlich Verbindungshalbleiter-HET. Für eine kurze Übersicht wird verwiesen auf L.F. Eastman, ebd., S. 42-45.
  • Alle Arbeit zum Stand der Technik im Bezug auf Verbindungshalbleiter-HET hat sich mit auf GaAs- basierenden Elementen beschäftigt, und kürzlich ist ballistischer Transport tatsächlich in auf GaAs- basierenden Forschungselementen beobachtet worden. A.F.J. Levi u.a. Physical Review Letters, Band 55(19), Seiten 2071-2073; M.Heiblum u.a., Physical Review Letters, Band 55(20), S. 2200-2203 und M.I. Nathan u.a., IEEE Spectrum Februar 1986, Seiten 45-47.
  • Der ballistische Transport wurde beobachtet in Elementen, die Geometrieen haben, von denen man sich viel für die Realisierung als praktische HET verspricht. Der erste Typ, der häufig als planar dotierter Sperrschichttransistor bezeichnet wird (PDBT, siehe auch zum Beispiel J.R. Hayes u.a., Electronic Letters, Band 20(21), S. 851-852) oder als "Kamel"-Transistor, J.M. Shannon, IEEE Proceedings, Band 128(9), S. 134-140 (1981)), verwendet thermionische Injektion und enthält Emitter, Basis und Kollektor, mit einer entsprechend geformten Potentialschwelle zwischen Emitter und Basis und einer zweiten Schwelle zwischen Basis und Kollektor. Der zweite Typ, auf den als Heißelektronen- Tunneltransferverstärker Bezug genommen wird (THETA, siehe zum Beispiel M. Heiblum, Solid State Electronics, Band 24, S. 343-366), unterscheidet sich von dem ersten Typ dadurch, daß er Tunnelinjektion in die Basis aufweist. Siehe auch EP-A-0 067 276, in dem ein Transistor offenbart ist, der Tunnelinjektion in ein oberes Energietal in der Basis verwendet. Beide der oben genannten Typen sind unipolar, jedoch sind bipolare HET auch in GaAs/AlGaAs vorgeschlagen worden.
  • In beiden Typen wird der Elektronenfluß von Emitter zu Basis dadurch gesteuert, daß das Emitter/Basis- Sperrschichtpotential mit Hilfe einer angelegten Spannung Veb gesteuert wird. Der Elektronenfluß von der Basis zu dem Kollektor kann gleichermaßen mit Hilfe einer von außen angelegten Spannung Vbc zwischen Basis und Kollektor gesteuert werden. Unter normalen Betriebsbedingungen spannt Vbc die Basis-Kollektor-Strecke in Sperrichtung vor. Von dem Emitter in die Basis injizierte Elektronen haben eine Energie, die wesentlich größer ist als die thermische Energie der Umgebungselektronen in der Basis. Diese "heißen" Elektronen durchgueren im Idealfall die Basis, ohne eine wesentliche Streuung zu erfahren. Wenn veranlaßt wird, daß die Basis-Kollektor-Sperrschicht niedriger liegt als die Heißelektronenenergie, dann können einige der heißen Elektronen die Schwelle überqueren, durch die Kollektorsperrschicht geschickt werden und in das Leitungselektronenmeer im Kollektor eintreten.
  • Wie der Fachmann leicht versteht, müssen verschiedene Schwierigkeiten überwunden werden, bevor ein Element dieses Typs als praktischer HET funktionieren kann. Zu diesen Schwierigkeiten zählt die guantenmechanische Reflexion der heißen Elektronen durch die Basis-Kollektor-Sperrschicht und der raumladungs begrenzte Strom. Das größte Hindernis ist jedoch wahrscheinlich die Schwierigkeit, einen im wesentlichen vollständigen Transport heißer Elektronen durch die Basis zu erreichen und wünschenswerterweise auch durch die Sperrschicht des Kollektors. Von beträchtlicher Bedeutung wären Mittel, mit denen eine weitere Verbesserung der HET-Eigenschaften erreicht werden könnte.
    • Definitionen
  • Elektronentransport in einem Kristall wird hier als "ballistisch" bezeichnet, wenn, zusätzlich zu seiner möglichen Wechselwirkung mit einem beschleunigenden elektrischen Feld, das Elektron im wesentlichen nur mit dem statischen Teil des Gitterpotentials in Wechselwirkung tritt. Elektronentransport kann deshalb sogar dann ballistisch sein, wenn die Elektronen eine kleine Winkelstreuung und/oder eine kleine Energieveränderung erfahren.
  • Ein Leitungselektron wird hier als "heißes" Elektron in einem gegebenen Halbleitergebiet betrachtet, wenn seine Energie E wesentlich größer ist als EF, die Fermi-Energie im Gebiet. Typischerweise ist E≥Ef+10kBT, wobei kB die Boltzmann-Konstante und T die absolute Gittertemperatur ist.
  • Ein "Heißelektronen"-Transistor (HET) ist ein Transistor, dessen Betriebseigenschaften im wesentlichen von dem Transport heißer Elektronen durch die Durchgangszone des Transistors bestimmt werden, wobei die heißen Elektronen in der Durchgangszone nur minimal gestreut werden.
  • Die Durchgangszone eines HETs ist hier der Teil des HET, durch den ein wesentlicher Transport heißer Elektronen stattfindet oder stattfinden soll. Die Durchgangszone besteht zum Beispiel in einem PDBT, einem Kamel-Transistor, oder einem THETA-Element aus der Basis und der Kollektorsperrschicht. Um einen signifikanten Transport heißer Elektronen in einem HET zu ermöglichen, muß die Breite der Durchgangszone geringer als die mittlere freie Weglänge der heißen Elektronen in dem Material sein.
  • Die "Umgebungs"-Ladungsträger sind diejenigen Ladungsträger (Elektronen oder Löcher), die sich im wesentlichen in thermischen Gleichgewicht mit dem Gitter befinden. So zum Beispiel sind in bipolaren HET die Umgebungsladungsträger in der Basis typischerweise Löcher.
    • Darstellung der Erfindung
  • Durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen dargestellt wird, ist es möglich, Verbindungshalbleiter-HET bereitzustellen, die bei Raumtemperatur eine wesentliche Stromverstärkung (z.B. β ≥ 10) aufweisen.
  • HET, die hier von Interesse sind, haben Geometrien, die denen ähneln, wie sie die HET nach dem Stand der Technik ausweisen. Sie umfassen eine Elektronenemissionszone (die erste Zone), eine Elektroneneinsammlungszone (die dritte Zone), und eine zweite Zone, die zwischen der ersten und der dritten Zone liegt und mit ihnen Grenzschichten bildet. Die erste Zone umfaßt eine Emitterschicht und die zweite Zone eine Basisschicht, wobei die Emitterschicht typischerweise die Basisschicht kontaktiert und mit ihr die Emitter-Basis-Grenzfläche bildet. Die Basisschicht kontaktiert typischerweise auch das Material der dritten Zone und formt mit ihm die Basis- Kollektor-Grenzfläche. Die jeweils erste, zweite und dritte Zone bestehen allgemein aus einer Schicht oder mehreren Schichten von Verbindungshalbleitermaterial, wobei die Zusammensetzung der Basisschicht sich mindestens von der der Emitterschicht unterscheidet. In einigen Fällen (z.B. bei einigen bipolaren HET) kann das Material der zweiten Zone grundsätzlich gleich dem Material der dritten Zone sein, wobei die Materialien der zweiten und dritten Zone verschiedene Dotierungsmittel enthalten und/oder sich in der Dotierungskonzentration unterscheiden.
  • Die HET, die hier von Interesse sind, umfassen auch Mittel, um mit jeweils der ersten, zweiten und dritten Zone elektrischen Kontakt herzustellen und Mittel, um heiße Elektronen aus der ersten in die zweite Zone zu injizieren. Mindestens ein wesentlicher Bruchteil der injizierten heißen Elektronen (vorzugsweise ≥90%) durchgueren die zweite Zone ohne wesentlichen Energieverlust und überqueren die Basis-Kollektor-Grenzfläche. Die injizierten heißen Elektronen haben eine Durchschnittsenergie Ei, und ihre Durchschnittsgeschwindigkeit kann in verschiedenen Zonen unterschiedlich sein. Außerdem ist den injizierten heißen Elektronen ein Kristallimpulsvektor ki zugeordnet, der eine Komponente ki,1 senkrecht zu der Emitter-Basis-Grenzfläche und eine Komponente ki,2 parallel zu dieser Grenzfläche aufweist.
  • Ich habe entdeckt, daß die Eigenschaften eines HETs in starkem Maße von den Materialien abhängen können, die für den Aufbau dieses Elements verwendet werden. So zum Beispiel bestehen die Emitterschicht und die Basisschicht vorteilhafterweise aus Materialien, die solche Bandstrukturen haben, daß die in die Basisschicht injizierten heißen Elektronen Bahnen beschreiben, die im wesentlichen normal zu der Emitter-Basis-Grenzfläche stehen, typischerweise derart, daß ki,2/ki,1 weniger als ungefähr 0,2 beträgt. Diese Bedingung hilft sicherzustellen, daß ein relativ großer Anteil der injizierten Elektronen die Basisschicht durchqueren kann, ohne eine wesentliche Streuung zu erfahren. Diese Bedingung kann typischerweise erfüllt werden, wenn die Emitterschicht ein Material mit indirektem großem Bandabstand umfaßt, wie zum Beispiel AlSbAs, wenn die Basisschicht ein Material umfaßt (beispielhafterweise InAs), das ein Leitungsband hat, das in dem F-Punkt im k-Raum zentriert ist (die Terminologie, die verwendet wird, um die Bandstruktur zu beschreiben, ist allgemein üblich und dem Fachmann gut bekannt), und wenn die Elektronen in diese direkten Γ-Zustände injiziert werden.
  • Weiterhin werden die Materialien vorteilhafterweise so ausgesucht, daß die Geschwindigkeitskomponente der heißen Elektronen normal zur Basis-Kollektor-Grenzfläche keine wesentliche Veränderung bei der Überguerung dieser Grenzfläche erfährt. Dies macht es erforderlich, daß die Normalkomponente von ∂E1/∂k über die Basis-Kollektor- Grenzfläche im wesentlichen stetig verläuft (es wird vorgezogen, wenn sie um nicht mehr als ungefähr 20% abweicht). In diesem Ausdruck ist Ei die Durchschnittsenergie der heißen Elektronen, k ist der Elektronenwellenvektor und δ bezeichnet die partielle Ableitung. Diese Bedingung stellt sicher, daß durch die Gegenwart der Grenzfläche bedingte quantenmechanische Spiegelung und Resonanzen minimiert werden. Damit mehr als ungefähr 90% der heißen Elektronen in der Durchlaßrichtung durch die Grenzfläche geschickt werden, sollte (für Elektronen der Energie Ei) die zu der Grenzfläche normale Geschwindigkeitskomponente sich beim Überqueren der Grenzfläche um höchstens ungefähr 11% verändern, und diese Bedingung wird bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung erfüllt. AlSb und InAs sind beispielhafte Materialien für die Emitterschicht und die Basisschicht, die nach der Erfindung vorteilhafterweise für einen HET verwendet werden können.
  • Es gibt auch andere Mittel, die wahlweise dazu verwendet werden können, die Eigenschaften eines HETs zu verbessern. Wenn zum Beispiel die Quantisierung der besetzten Zustände der Umgebungsleitungselektronen in der Basisschicht sichergestellt wird, so führt dies zu einer Einschränkung der Streuung und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit, daß ein heißes Elektron die Durchgangszone ballistisch übergueren kann. Eine derartige Quantisierung ergibt sich, wenn mindestens eine Dimension der Basisschicht sehr klein ist, typischerweise in der Größenordnung 10nm. Eine sehr "dünne" Basisschicht, die zu der Bildung eines im wesentlichen 2-dimensionalen Elektronengases in der Basisschicht führt, bringt Einschränkungen bei der Streuung mit sich, doch eine Basisschicht, die nicht nur dünn, sondern auch eng (und damit im wesentlichen 1-dimensional) ist, schränkt die Streuung typischerweise weiter ein. Quantisierung der Umgebungsleitungsträger in der Basisschicht vergrößert auch den wirksamen Bandabstand und vermindert dadurch die Wahrscheinlichkeit einer Zwischenbandstreuung.
  • Wenn diese und andere Merkmale (die weiter unten noch erörtert werden müssen) in einem HET angewendet werden, so erhält man ein Element, das eine im Vergleich zu Elementen nach dem Stand der Technik wesentlich verbesserte Leistung aufweist. Gemäß der Erfindung können Elemente jeweils bei Raumtemperatur ein β≥ 10 haben bei einer Vorspannung (Vce), die über 1 Volt liegt.
  • Im einzelnen werden HET nach der Erfindung in den angefügten Ansprüchen gezeigt.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • FIG. 1 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Element dar;
  • FIG. 2 zeigt schematisch einige Merkmale der Leitungsbandstruktur eines erfindungsgemäßen Elements;
  • FIG. 3 zeigt schematisch Teile des Energieniveaudiagramms von drei Materialien, die bei der Anwendung der Erfindung nützlich sind; und
  • FIG. 4 gibt Stromverstärkungsverläufe bei Raumtemperatur wieder, die an einem beispielhaften erfindungsgemäßen Element gemessen wurden.
    • Detaillierte Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen
  • FIG. 1 stellt schematisch einen erfindungsgemäßen HET 20 dar, wobei 11, 12 und 13 jeweils die erste, zweite und dritte Zone sind und 14, 15 und 16 Mittel sind, um elektrischen Kontakt mit der ersten, zweiten bzw. dritten Zone herzustellen. Man wird verstehen, daß in vielen Fällen die erste und zweite Zone mit dem Emitter bzw. Kollektor identisch sind, und daß jede typischerweise mehr als eine Schicht umfaßt, und daß die zweite Zone die Basisschicht umfaßt. Teil 17 der dritten Zone ist ein Kollektor-Verarmungsgebiet. Beispielhafterweise umfaßt 11 AlSb0,92As0,08, 12 besteht wesentlich aus InAs und 17 und 13 umfassen GaSb. Beispielhafterweise ist die Basisschicht ungefähr 10nm dick.
  • FIG. 2 zeigt schematisch das Leitungsband eines Doppelheteroübergangs-HETs unter Vorspannung nach der Erfindung, wobei die Zahlen 20, 21 und 22 sich auf die erste Zone, die Basis bzw. die dritte Zone beziehen. Der Pfeil bezeichnet die Flußrichtung der heißen Elektronen, Φeb und Φbc sind die (den Emitter-Basis- bzw. Basis- Kollektor-Grenzflächen zugeordneten) Emitter-Basis- bzw. Basis-Kollektor-Energieschwellen, Eo ist die quantenmechanische Einschlußenergie (aufgrund des 2-dimensionalen Wesens des Elektronengases in 21) und EF ist die Fermi-Energie in der zweiten Zone. Für die oben beschriebene beispielhafte Materialkombination kann Φeb ungefähr 1,3eV und Φbc ungefähr 0,8eV betragen. Typischerweise ist Φbc ≥ 0,5eV für einen bei Raumtemperatur betriebenen HET.
  • Gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen verwenden thermionische Emission, um heiße Elektronen der Durchschnittsenergie Ei von der Emitterschicht in die Basisschicht zu injizieren. Raumladungseffekte in den beiden Sperren können im wesentlichen vermieden werden, wenn die Sperrzonen mit einer Dotierungsmitteldichte ≥ j/ev dotiert werden, wobei e die Elektronenladung, j die Stromdichte und v die durchschnittliche Elektronengeschwindigkeit in der jeweiligen Sperrschicht ist. Sperrstromfluß von der Basis zu der Emitterschicht kann minimiert werden, indem Φeb derart gewählt wird, daß es wesentlich größer ist als die thermische Umgebungsenergie kBT(kB ist die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur).
  • Die Injektion heißer Elektronen in die Basis ist allgemein am wirksamsten, wenn sowohl die Energie als auch die zu der Emitter-Basis-Grenzfläche parallele Impulskomponente erhalten bleiben. Somit werden die Emitterschicht und die Basisschicht vorteilhafterweise derart ausgewählt, daß in der Basisschicht Leerzustände bei Energie Ei vorhanden sind und diesen Leerzuständen Wellenvektoren ki zugeordnet sind, die Komponenten ki,2 aufweisen, die der entsprechenden Wellenvektorkomponente der Elektronen der Energie Ei in der Emitterschicht im wesentlichen gleichen.
  • Obiger Tatbestand ist in den FIGUREN 3a und 3b schematisch dargestellt, die relevante Teile des Banddiagramms der Materialien der jeweiligen beispielhaften Emitterschicht und Basisschicht zeigen. Wie aus FIG. 3a ersichtlich ist, haben Elektronen, deren Energie in der Nähe von Ei liegt, in diesem Emittermaterial (beispielhafterweise AlSb) Wellenvektoren, die in der Nähe des X-Punktes in der Brillouin-Zone liegen, und somit gibt es in einem [100]-orientierten Element Elektronen, die X-Punkt-Minima mit kleinem ki,2 (kj,2 «π/a) belegen und andere X-Punkt-Minima mit großem ki,2 (ki,2 π/a, wobei a die Gitterkonstante des Emitterschichtmaterials ist). In ähnlicher Weise zeigt FIG. 3b, daß Elektronen, die eine Energie in der Nähe von Ei aufweisen, in diesem Basisschichtmaterial (beispielhafterweise InAs) Wellenvektoren aufweisen, die in der Nähe des Γ-Punktes liegen. Diese beispielhafte Kombination aus Emitterschicht- und Basisschichtmaterial erlaubt eine relativ wirksame Injektion heißer Elektronen (deren Energie ungefähr gleich Ei ist) von der Emitterschicht in die Basisschicht. Insbesondere stammen die wirksam injizierten Elektronen von den X-Punkt-Minima mit kleinem ki,2, die in die kleinen ki,2, Γ-ähnlichen Zustände in dem Basisschichtmaterial gehen. Elektronen der anderen X- Punkt-Minima können nicht wirksam injiziert werden, weil keine Leerzustände mit großem ki,2 in dem Basisschichtmaterial verfügbar sind. Die injizierten Elektronen haben somit nur kleine Geschwindigkeitskomponenten parallel zu der Emitter-Basis-Grenzfläche, was zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit führt, daß die heißen Elektronen die Durchgangszone ballistisch durchqueren können.
  • Ein praktischer HET erfordert nicht nur wirksame Injektion der heißen Elektronen in die Basis, sondern auch eine im wesentlichen vollständige Übertragung der heißen Elektronen über die Basis-Kollektor-Potentialschwelle. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein Elektron an der Basis-Kollektor-Grenzfläche reflektiert wird, nimmt in dem gleichen Maße ab, wie die Änderung der Elektronengeschwindigkeit beim Eintritt in die Kollektorzone abnimmt. Da die Geschwindigkeit proportional ist zu ∂E/∂k, so legt dies nahe, die Materialien vorteilhafterweise so auszuwählen, daß ∂E/∂kE1,2 ∂E/∂kE1,3 beträgt, wobei die partiellen Ableitungen bei der Durchschnittsenergie der heißen Elektronen zu nehmen sind, und die tiefgestellten Zahlen 2 und 3 sich auf die Materialien zu beiden Seiten der Basis-Kollektor-Grenzfläche beziehen.
  • Ein angenäherter alternativer Ausdruck für die Geschwindigkeitsanpassungsbedingung, der von der effektiven Massentheorie abgeleitet ist und nur zur Veranschaulichung verwendet wird, ist m /m -Ei/(Ei-Φbc), wobei m und m die effektiven Elektronenmassen in der Basis bzw. dem Kollektormaterial sind. Somit können, durch sorgfältige Wahl von Ei, Φbc Basis- und Kollektormaterialien (einschließlich der möglichen Verwendung eines entsprechend gestalteten Übergitters der Kollektor-Verarmungszone) Quantenreflexionen von Φbc minimiert werden. Typischerweise ist eine derartige Anpassung möglich für einen relativ kleinen Bereich von Elektronenenergien (beispielhafterweise ungefähr 0,5eV). Somit ist es vorteilhaft, das Emittermaterial und Φeb derart zu wählen, daß die injizierten Elektronen eine relativ schmale Energieverbreiterung aufweisen.
  • Weiterhin erfordert eine hohe Übertragung durch die Basis-Kollektor-Schnittstelle typischerweise, daß die Elektronenwellenfunktion in dem Kollektor dem Charakter nach der in der Basis (z.B. beide seien s-ähnlich für Elektronen der Energie Ei) ähnlich ist. So zum Beispiel macht die Wahl von InAs als Basis und GaSb als Kollektormaterial es möglich, beide der oben genannten Bedingungen zu erfüllen, wie in FIGUREN 3b und 3c veranschaulicht wird, wobei die letztere den relevanten Teil des Banddiagramms eines beispielhaften Kollektormaterials zeigt (beispielhafterweise GaSb). Bei Energie Ei befinden sich die Elektronen sowohl in dem Basis- als auch dem Kollektormaterial in der Nähe des Γ-Punktes in dem k-Raum und haben somit s-ähnliche Wellenfunktionen, und die Steilheit des Leitungsbandes bei Ei ist in den beiden Materialien ähnlich.
  • Es gibt weitere Mittel, die wahlweise verwendet werden können, um die Betriebseigenschaften eines erfindungsmäßigen HETs zu verbessern. So zum Beispiel habe ich herausgefunden, daß in einem Element, das derartige Dimensionen hat, daß die Basiszone quantisierte Elektronenzustände umfaßt, kinematische Einschränkungen existieren (prinzipiell aufgrund der Energie- und Impulserhaltung), die die Wahrscheinlichkeit der Elektronenstreuung unter den Wert reduzieren, der in dem Grundmaterial vorliegt. Es ist somit vorteilhaft, mindestens eine Dimension der Basiszone (typischerweise ihre Stärke) so zu reduzieren, daß die Umgebungsladungsträger in der Basis sich auf die Weise eines quasi-2- dimensionalen Ladungsträgergases verhalten. Typischerweise erfordert dies, daß die Stärke weniger als ungefähr 50nm beträgt, vorzugsweise weniger als ungefähr 20nm. Eine weitere Reduktion der effektiven Dimensionierung des Umgebungsladungsträgergases kann die Streuwahrscheinlichkeit weiter reduzieren. So zum Beispiel kann der Einsatz eines Magnetfeldes normal zu der Basisschicht eine Reduktion der Streuung der heißen Elektronen um einen wesentlichen Betrag bewirken, beispielhafterweise um einen Faktor von 2-10. Wie der Fachmann versteht, kann ein derartiges Magnetfeld die Bewegung der Leitungsträger seitlich beschränken und zu einem praktisch 0-dimensionalen Ladungsträgergas führen. Ein praktisch 1-dimensionales Ladungsträgergas kann durch einen dünnen und schmalen (z.B. < 50nm) Streifen aus Basisschichtmaterial hergestellt werden.
  • Es hat sich auch herausgestellt, daß die Elektronenstreuwahrscheinlichkeiten häufig in starkem Maße von dem Endzustand abhängen, in den das Elektron gestreut wird. So zum Beispiel ist in InAs die Streuung von < 100 > - gerichteten heißen Elektronen in L-Minima typischerweise weniger wahrscheinlich als in X-Minima. Aus diesem Grund wird die Injektionsenergie Ei vorteilhafterweise derart gewählt, daß sie geringer ist als die den X-Minima zugeordneten Energie. Es ist andererseits nicht wesentlich, daß Ei auch geringer ist als die den L-L- Minima zugeordnete Energie. Diese Entdeckung führt offensichtlicherweise zu einer größeren Freiheit bei der Gestaltung bei gleichzeitiger niedriger Streuung der heißen Elektronen.
  • In HET mit zwei Klassen mobiler Ladungsträger (z.B. bipolarer HET) ist es häufig wünschenswert, daß die effektive Masse schwerer Löcher mh viel größer ist als m , die effektive Elektronenmasse, da dies auch zu kinematischen Einschränkungen der Streuung führt. Damit dieser Effekt signifikant sei, ist es typischerweise wünschenswert, daß m /m &ge;10 senkrecht zu der Basis- Kollektor-Grenzfläche steht. Beispielhafterweise kann diese Bedingung erfüllt werden, wenn eine verspannte Basisschicht verwendet wird.
  • Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß alle drei Zonen eines erfindungsgemäßen Elements aus einem Einkristall-Material bestehen werden, und daß die Basisschicht epitaxial ist mit den benachbarten Materialien. Derartige Strukturen können mit bekannten Techniken gezogen werden, z.B. durch Molekularstrahlepitaxie.
  • Zusätzlich zu der AlSbAs/InAs/GaSb-Struktur, auf die oben Bezug genommen wurde, kann eine Vielzahl von anderen Materialkombinationen für erfindungsgemäße HET verwendet werden. Ein bipolarer HET ist beispielhaft, der einen AlAs.44Sb.56-Emitter, eine In.53Ga.47As-Basis und einen InP- Kollektor umfaßt.
    • Beispiel I:
  • Auf einem (001)-orientierten Te- dotierten (N&spplus;) GaSb-Einkristall-Substrat wurde mit Hilfe von Molekularstrahlepitaxie die folgende heteroepitaxiale Struktur gezogen: eine 800nm dicke n&spplus; Te-dotierte (10¹&sup8;cm&supmin;³)GaSb-Pufferschicht, gefolgt von einer 350nm dicken Te-dotierten (10¹&sup5;cm&supmin;³) GaSb-Schicht, wobei die letztere die Kollektor-Verarmungszone wird. Darauf folgte eine 10nm dicke modulationsdotierte InAs-Schicht (die die Basisschicht wird) und einer 150nm dicke Te-dotierte (10¹&sup6;cm&supmin;³) AlSb0,92As0,08-Schicht (wobei die letztere die Emitterschicht wird). Darauf wiederum folgte die Ablagerung einer 50nm dicken n&spplus;Te-dotierten (10¹&sup8;cm&supmin;³) AlSb0,92As0,08-Schicht und einer 300nm dicken n&spplus; GaSb- Schicht. Nach dem Strukturieren der Heterostruktur (im wesentlichen wie in FIG. 1 gezeigt) durch standardmäßige Lithographie- und Ätztechniken, wurden AuGeNi- Legierungskontakte auf die Pufferschicht, die Basisschicht und die oberste Schicht aufgedampft, worauf ein schnelles Tempern folgte, um die ohmischen Kontakte herzustellen. Standardmäßige Tests ergaben, daß die Struktur wie ein HET funktionierte, mit &beta;> 10 bei Raumtemperatur bei Vce&ge;1 Volt, wie von den in FIG. 4 dargestellten Daten veranschaulicht.
    • Beispiel II:
  • Eine heteroepitaxiale Struktur wird im wesentlichen so gezogen, wie in Beispiel I beschrieben, mit der Ausnahme, daß das Substrat Sn-dotiertes n&spplus;-InP, die Pufferschicht Sn-dotiertes (10¹&sup8;cm&supmin;³)n&spplus;-InP, die der Kollektor-Verarmungszone entsprechende Schicht 500nm dickes Sn-dotiertes (10¹&sup7;cm&supmin;³) InP, die der Basisschicht entsprechende Schicht eine 20nm dicke Be-dotierte (2x10¹&sup9;cm&supmin;³) p&spplus;-In0,53Ga0,47As-Schicht ist. Auf diese Schicht folgt eine 150nm dicke Sn-dotierte (5x10¹&sup7;cm&supmin;³) n- AlAs0,44Sb0,56-Schicht, und darauf folgt eine 100nm dicke n&spplus;- AlAs0,44Sb0,56-Schicht. Nach dem Strukturieren und Kontaktieren im wesentlichen wie in Beispiel I, zeigen standardmäßige Tests, daß die Heterostruktur wie ein HET arbeitet, mit &beta; > 1000 bei Raumtemperatur bei Vce&ge;1 Volt.
    • Beispiel III:
  • Ein unipolarer HET wird in einer Weise hergestellt, wie sie im wesentlichen in Beispiel I beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß die 400nm dicke Kollektor-Verarmungszone aus einem Übergitter besteht (6nm dicke GaSb-Schichten, die mit 1,5nm dicken AlSb0,92- As0,08-Schichten abwechseln), daß die Basisschicht aus 6nm InAs und die Emitterschicht aus 150nm AlSb0,92As0,08 besteht. Die Heterostruktur funktioniert wie ein HET, mit &beta; bei Raumtemperatur wesentlich größer als 10 bei Vce &ge;1 Volt. Die Anwesenheit des Übergitters führt aufgrund der verbesserten Geschwindigkeitsanpassung zu einer verbesserten Übertragung der heißen Elektronen über die Basis-Emitter-Grenzfläche.
    • Beispiel IV:
  • Ein bipolarer HET wird in einer Weise hergestellt, wie sie im wesentlichen in Beispiel II beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß die Basisschicht die Zusammensetzung In0,58Ga0,42As aufweist. Die resultierende verspannte Basisschicht führt zu einer geringeren Streuung der heißen Elektronen in der Basisschicht. Es stellt sich heraus, daß die Heterostruktur wie ein HET funktioniert, mit &beta; bei Raumtemperatur wesentlich größer als 10 bei Vce &ge; 1 Volt.

Claims (9)

1. Ein Heißelektronentransistor mit:
a) einer eine Elektronenemissionszone (11) bildenden ersten Zone, einer eine Basiszone bildenden zweiten Zone (12) und einer eine Elektroneneinsammlungszone bildenden dritten Zone (13), wobei besagte zweite Zone zwischen der ersten und dritten Zone liegt und Grenzflächen bildet und epitaxial dazu liegt, die erste, zweite und dritte Zone jeweils aus Verbindungshalbleitermaterial besteht, das Material der. ersten Zone Halbleitermaterial mit indirektem großem Bandabstand umfaßt, das ein Energieminimum in dem Leitungsband bei einer Energie Ei aufweist, das Material der zweiten Zone ein Halbleitermaterial mit direktem Bandabstand ist, das ein Energieminimum in dem Leitungsband an dem &Gamma;-Punkt im k-Raum bei einer Energie aufweist, die unter Ei liegt, das Material der zweiten Zone sich weiterhin von dem Material der ersten Zone zumindest an der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Zone unterscheidet und Elektronenleerzustände bei besagter Energie Ei aufweist, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Zone normal steht zu einer Gitterrichtung, die einem Punkt in der Brillouin- Zone zugeordnet ist, wobei besagter Punkt einem der besagten Energieminima in dem Leitungsband des besagten ersten Materials entspricht;
b) Mitteln (14, 15, 16), die die ersten, zweiten bzw. dritten Zonen elektrisch kontaktieren; und
c) Mitteln (11, 12, 14, 15) zum Injizieren heißer Elektronen der mittleren Energie Ei von der ersten in die zweite Zone, wobei den heißen Elektronen zugeordnet sind: ein Impulsvektor ki mit Komponenten ki,1 und ki,2, die senkrecht bzw. parallel zu der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Zone verlaufen, und eine Geschwindigkeitskomponente, die normal zu der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Zone steht, wobei sowohl die Energie als auch die parallele Impulskomponente ki,2 während der Injektion im wesentlichen erhalten bleiben, wobei die Materialien der ersten und zweiten Zone derart beschaffen sind, daß die besagten Elektronenleerzustände in dem Material der zweiten Zone in der Nähe des besagten &Gamma;-Minimums liegen und die heißen Elektronen in besagte Leerzustände injiziert werden, wobei die in die zweite Zone injizierten heißen Elektronen in besagter zweiter Zone einen derartigen Impuls aufweisen, daß der Betrag von ki,2/ki,1 unter 0,2 liegt, und wobei die zweiten und dritten Materialien derart beschaffen sind, daß die zu der Grenzfläche zwischen der zweiten und dritten Zone normal stehende Geschwindigkeitskomponente sich beim Überqueren der besagten Grenzfläche zwischen der zweiten und dritten Zone höchstens um 20% verändert.
2. Transistor nach Anspruch 1, wobei die dritte Zone ein Übergitter umfaßt, wodurch eine wesentliche Anpassung der zu der Grenzfläche zwischen der zweiten und dritten Zone normalen Geschwindigkeitskomponente an diejenige in der zweiten Zone erzielt wird, in dem Teil der dritten Zone, die der besagten Grenzfläche benachbart ist.
3. Transistor nach einem der Ansprüche 1-2, wobei die Materialien der ersten und dritten Zone dotierte Materialien eines ersten Leitfähigkeitstyps sind, und daß das Material der zweiten Zone ein vom ersten Leitfähigkeitstyp unterschiedlicher zweiter Leitfähigkeitstyp ist, und wobei die Materialien der ersten, zweiten und dritten Zone derart gewählt sind, daß das Material der zweiten Zone verspannt ist, wodurch die Streuung der heißen Elektronen in der zweiten Zone reduziert wird.
4. Transistor nach einem der Ansprüche 1-3 mit Umgebungsladungsträgern in der zweiten Zone, wobei die Stärke der zweiten Zone unter 50 nm liegt, wobei besagte Umgebungsladungsträger sich im wesentlichen wie ein zweidimensionales Ladungsträgergas verhalten, wodurch die Streuung der heißen Elektronen in der zweiten Zone reduziert wird.
5. Transistor nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Zone zu einer < 001 > Gitterrichtung normal steht, daß lokale X- Minima in dem Leitungsband dem Material der zweiten Zone zugeordnet sind, wobei eine Energie den besagten X-Minima zugeordnet ist, und daß Ei derart ausgewahlt ist, daß sie geringer ist, als die besagte Energie, die den besagten X-Minima zugeordnet ist.
6. Transistor nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Zone zu einer < 001 > Gitterrichtung normal steht, und daß besagte Energie-Minima, die dem Material der ersten Zone zugeordnet sind, X-Minima sind.
7. Transistor nach Anspruch 1, wobei die ersten, zweiten und dritten Zonen Material der Zusammensetzung AlSb0,92As0,08, InAs bzw. GaSb oder der Zusammensetzung AlAs0,44Sb0,56, In0,53Ga0,47As bzw. InP umfassen.
8. Transistor nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Transistor bei Raumtemperatur eine Stromverstärkung &beta; > 10 bei einer Kollektor/Emitter-Vorspannung Vce > 1 Volt aufweist.
9. Transistor nach Anspruch 4, wobei die zweite Zone eine Breite von weniger als 50 nm hat, wodurch in der zweiten Zone ein eindimensionales Ladungsträgergas erzeugt wird.
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