DE4216030A1 - Elektronisches Bauelement mit wenigstens einem Stromkanal, der ein zweidimensionales Ladungsträgergas enthält - Google Patents
Elektronisches Bauelement mit wenigstens einem Stromkanal, der ein zweidimensionales Ladungsträgergas enthältInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement
mit wenigstens einem, über ein Gate steuerbaren, ein
zweidimensionales Ladungsträgergas enthaltenden Strom
kanal.
Als Stand der Technik ist z. B. aus T. Mimura et al.,
Japanese Journal of Applied Physics, vol. 19 No. 5, S.
1225-1227 ein Feldeffekttransistor mit einem Hetero
übergang auf der Basis GaAs/n-AlxGa1-xAs bekannt. Dabei
wird das zweidimensionale Fermigas an dem Hetero-über
gang von einem Gate gesteuert.
Des weiteren ist aus H. Daembkes et al., Appl. Phys.
Lett. 52 (17), s. 1404-1406, ein MODFET (Modulation-
Doped-Feldeffekttransistor) auf der Basis AlGaAs/GaAs
mit einer Schichtstruktur bekannt, bei der unter einem
Gate drei Quantentöpfe jeweils ein über das Gate steu
erbares zweidimensionales Elektronengas bilden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement der ein
gangs bezeichneten Art zu schaffen, bei dem in platz
sparender Weise eine Komplementärtechnologie mikroelek
tronischer Bauelemente realisiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektroni
sches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge
löst. Weitere zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausfüh
rungsformen des erfindungsgemäßen Bauelementes finden
sich in den sich auf den Anspruch 1 rückbeziehenden An
sprüchen 2 bis 4.
Für digitale Schaltungen mit geringem Leistungsver
brauch ist die gleichzeitige Verwendung von Bauelemen
ten mit n- und p-leitenden Kanälen von großer Bedeu
tung. Als Ladungsträger für das zweidimensionale Fermi
gas können je nach Dotierung des halbleitenden
Materials Elektronen (n) oder Löcher (p) zur Stromlei
tung gewählt werden.
Das erfindungsgemäße Bauelement kann als Einzelbauele
ment die Funktion einer CMOS-Schaltung ausüben. Dabei
wird zumindest ein zweidimensionales Elektronengas mit
einem zweidimensionalen Löchergas über ein einziges
Gate gesteuert. Das Gate beeinflußt dabei die beiden
zweidimensionalen Kanäle gegensinnig in der Art, daß
eine Steuerspannung zwischen Gate und Substrat, soweit
sie die Leitfähigkeit des zweidimensionalen Elektronen
gas-Kanals erhöht, gleichzeitig die Leitfähigkeit des
zweidimensionalen Löchergas-Kanals erniedrigt oder um
gekehrt. Dabei ist für das Funktionieren des Bauelemen
tes prinzipiell die Reihenfolge der komplementären
zweidimensionalen Fermigasen unter dem Gate beliebig.
Diese Reihenfolge richtet sich nach Kriterien, wie z. B.
technologische Überlegungen oder Arbeitspunkteinstel
lung des Bauelementes.
Die beiden zweidimensionalen, zueinander komplementären
Fermigase oder ggf. eine Kombination von mehr als 2 je
weils als Stromkanal vorgesehenen und zum Nachbar je
weils komplementär gewählten Fermigase können z. B.
durch geeignete Anordnungen von Hetero-Übergängen er
zeugt werden. Es ist auch möglich, dazu Quantentöpfe
oder Übergitter zu verwenden. Selbstverständlich kann
auch eine Kombination der Möglichkeiten beim Aufbau des
erfindungsgemäßen Bauelementes gewählt werden.
Als Material zur Herstellung einer Schichtstruktur für
das erfindungsgemäße Bauelement kann z. B. ein III-V-
Verbindungshalbleiter mit verschiedener Bandlücke und
jeweils einem Band-Offsett am Leitungsband und am va
lenzband gewählt werden. Als Material könnte z. B. auch
das System Si/SixGe1-x gewählt werden.
Insofern das Bauelement als vertikaler, komplementärer
MODFET (VCMODFET) oder als vertikaler Weichentransistor
ausgebildet ist, handelt es sich hierbei um eine wei
tere vorteilhafte Ausführungsform.
Das erfindungsgemäße Bauelement mit von einem Gate ge
gensinnig gesteuerten Stromkanälen bietet die vorteil
hafte Möglichkeit, einen Strom zwischen zwei oder ggf.
mehreren Stromkanälen hin und her zu steuern. Eine
dreidimensionale Integration solcher erfindungsgemäßen
komplementären Bauelemente ist besonders interessant,
weil deren Leistungsverbrauch sehr niedrig ist. Nur
beim Umschalten von der einen Ruhestellung in die an
dere fließt ein Strom. Die damit verringerte Wärmeer
zeugung erlaubt eine hohe Integrationsdichte der Schal
tung.
Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Figuren nä
her erläutert:
Fig. 1 schematische Darstellung des erfindungsge
mäßen Bauelementes;
Fig. 2a Schichtfolge eines erfindungsgemäßen Bau
elementes auf der Basis InP/GaInAs mit
über dem gleichen Gate steuerbaren, zu
einander komplementären Stromkanälen, bei
denen das zweidimensionale Elektronen-
bzw. Löchergas durch Hetero-übergänge ge
bildet sind;
Fig. 2b elektronisches Bänderdiagramm zur Schich
tenfolge des in der Fig. 2a dargestell
ten erfindungsgemäßen Bauelementes;
Fig. 3a erfindungsgemäßes Bauelement mit jeweils
einen Quantentopf zur Bildung des zweidi
mensionalen Fermigases (2 DLG bzw. 2
DEG);
Fig. 3b Bänderdiagramm zum erfindungsgemäßen Bau
element der Fig. 3a;
Fig. 4 Kontaktierung der Schichtenfolge des er
findungsgemäßen Bauelementes;
Fig. 5 äußere Beschaltung der Schichtenfolge des
erfindungsgemäßen Bauelementes als
VCMODFET;
Fig. 6 äußere Beschaltung des erfindungsgemäßen
VCMODFET als Weichentransistor.
In der Fig. 1 ist eine Prinzipanordnung des erfin
dungsgemäßen Bauelementes dargestellt. Aus geeignetem
halbleitendem Material ist auf einem Substrat 1 eine
Schichtenfolge hergestellt, so daß zunächst ein zweidi
mensionales Elektronengas 2 (2DEG) und darüber in einer
weiteren Schichtenfolge ein zweidimensionales Löchergas
3 (2DLG) gebildet werden. Auf der gesamten Schichten
folge befindet sich ein gemeinsames, beide Ladungsträ
gergase steuerndes Gate 4 (z. B. ein Schottky-Gate).
Durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen Gate 4 und
Substrat 1 werden beide zweidimensionalen Kanäle 2 und
3 gegensinnig beeinflußt. Es ist selbstverständlich
auch denkbar, die beiden zueinander komplementären
zweidimensionalen Gase in umgekehrter Reihenfolge zu
der Darstellung in der Fig. 1 zwischen Gate 4 und Sub
strat 1 anzuordnen. Desweiteren ist es vorstellbar
diese Gesamtschichtenfolge mit weiteren, zweidimensio
nale Ladungsträgergase bildenden Schichten zu Vielfach
systemen zu kombinieren.
Als Beispiel einer möglichen Schichtenfolge des erfin
dungsgemäßen Bauelementes ist in der Fig. 2a eine
Schichtenfolge auf der Basis InP/GaInAs gezeigt.
Auf einem Substrat 21 aus InP ist zunächst eine
Schicht 22 aus n-dotiertem InP aufgebracht. Eine auf
dieser Schicht aufgebrachte Schicht 23 aus GaInAs
(intrinsch -i- oder schwach n⁻- oder schwach p⁻dotiert)
bildet durch diesen Hetero-Übergang ein zwei
dimensionales Elektronengas (2DEG). Mit einer weiteren,
auf der letzteren aufgebrachten Schicht 24 aus p-do
tiertem InP wird ein weiterer, die Funktion eines zwei
dimensionalen Löchergases erzeugender Hetero-Übergang
gebildet. Die Schichtenfolge wird mit einer intrinsi
schen InP-Schicht 25 sowie einem Gate 26 abgeschlossen.
In der Fig. 2b ist das elektronische Bänderdiagramm zu
der Schichtenfolge aus der Fig. 2a dargestellt. Die
von den halbleitenden Schichten 23 und 22 bzw. 24 und
23 gebildeten Hetero-Übergänge ergeben im Bänderdia
gramm um das Fermeniveau EF herum das zweidimensionale
Elektronengas bzw. das zweidimensionale Löchergas als
komplementär zueinander aufgebauten Stromkanäle, die
über das Gate 26 gesteuert werden.
In entsprechender Weise zeigt die Fig. 3a eine Schich
tenfolge für das erfindungsgemäße Bauelement, bei dem
in der Halbleiterstruktur Quantentöpfe zur Erzeugung
der zweidimensionalen Ladungsträgergase gebildet sind.
Auf einem Substrat 31 aus InP sind nacheinander Schich
ten 32-37 aus n-dotiertem InP, intrinsischem GaInAs,
intrinsischem InP, intrinsischem GaInAs, p-dotiertem
InP und intrinsischem InP aufgebracht. Die Schichten
folge wird mit einem Gate 38 abgeschlossen.
In der Fig. 3b ist das Bänderdiagramm der Schichten
folge aus Fig. 3a dargestellt. Die Schichtenfolge bil
det im Bereich der Schicht 33 bzw. der Schicht 35 Quan
tentöpfe aus, die in dieser Schichtenfolge ein zweidi
mensionales Elektronengas bzw. zweidimensionales Lö
chergas erzeugen.
In der Fig. 4 ist eine mögliche Kontaktierung der
Schichtenfolge des erfindungsgemäßen Bauelementes dar
gestellt. Schließlich zeigen die Fig. 5 und 6 eine
äußere Beschaltung der Schichtenfolge des erfindungsge
mäßen Bauelementes als vertikal komplementärer MODFET
bzw. als Weichentransistor.
Soweit beim in der Fig. 4 gezeigten Bauelement mit
oben liegendem Löchergas eine positive Eingangsspannung
Ue zwischen Gate und Source angelegt wird, wird der
obere Kanal an Löchern verarmt, sein Widerstand steigt.
Zugleich wird der untere Kanal an Elektronen angerei
chert, so daß sein Widerstand fällt. Damit fällt die
Ausgangsspannung Ua. Entsprechend steigt die Ausgangs
spannung bei Erniedrigung der Eingangsspannung.
Das Konzept bedeutet einen Schritt in Richtung auf
dreidimensionale Integration. Dies ist bei Schaltungen
mit komplementären Bauelementen besonders interessant,
weil deren Leistungsverbrauch sehr gering ist: In Ruhe
stellung, d. h. bei UG < 0 oder UG < 0, fließt kein
Strom zwischen K1 und K2. Nur bei Ug = 0, d. h. beim
Einschalten zwischen den beiden Ruhestellungen (+ und -)
fließt Strom. Wegen der geringen Wärmeerzeugung ist
deshalb eine hohe Integrationsdichte möglich (Fig. 7).
Claims (4)
1. Elektronisches Bauelement mit wenigstens einem, über einem
Gate steuerbaren, ein zweidimensionales Ladungsträgergas
enthaltenden Stromkanal,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein weiterer, ein zweidimensionales Ladungsträgergas mit
zum ersten komplimentären Ladungsträgern enthaltender
Stromkanal vorgesehen ist, wobei auch der Strom des weiteren
über den Gate des ersten Kanals steuerbar ist.
2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung wenigstens einer der beiden, vom gleichen Gate
gesteuerten Stromkanäle eine Halbleiter-Heterostruktur, ein
Quantentopf oder ein Halbleiter-Übergitter oder eine
Kombination dieser Strukturen vorgesehen ist.
3. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Bauelement ein Modulation-Doped-Feldeffekttransistor
(MODFET) oder ein Weichentransistor vorgesehen ist.
4. Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bildung wenigstens einer der Stromkanäle eine Struktur
aus III-V-Verbindungshalbleitermaterialien mit verschiedener
Bandlücke und mit jeweils einem Band-Offsett sowohl am
Leitungsband als auch am valenzband vorgesehen ist.
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- 1992-05-15 DE DE19924216030 patent/DE4216030A1/de not_active Withdrawn
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1993
- 1993-05-14 WO PCT/DE1993/000436 patent/WO1993023879A1/de active Application Filing
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO1993023879A1 (de) | 1993-11-25 |
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