DE1286645B

DE1286645B - Tunneltriode

Info

Publication number: DE1286645B
Application number: DES85535A
Authority: DE
Inventors: Winstel Dr Rer Nat Guenther; Ziegler Dr Rer Nat Guenther
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1963-06-05
Filing date: 1963-06-05
Publication date: 1969-01-09
Also published as: DE1286645C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Tunneltriode, die bekanntlich aus einem normalen, d. h. einem Übergang ohne Tunneleffekt und einem Tunnelübergang besteht. In derartigen Halbleiterbauelementen werden die Eigenschaften eines Tunnelübergangs ausgenutzt, um dem Bauelement neue, charakteristische Eigenschaften zu geben.
Beim Tunnelübergang erfolgt der Ladungsträgertransport auf Grund des quantenmechanischen Tunneleffekts, der darin besteht, das Elementarteilchen, z. B. Elektronen, einen hinreichend dünnen Potentialwall durchdringen können, ohne, die volle, zur Überwindung des Walles nötige kinetische Energie zu besitzen. In Halbleiterdioden besteht zwischen dem p- und dem n-Gebiet ein solcher Potentialwall, den die Ladungsträger beim Übergang durchdringen müssen, Mit steigender Dotierung wird der Potentialwall dünner, bis bei einer Dotierung oberhalb der Entartungskonzentration des Halbleitermaterials die Majoritätsträger den Potentialwall der Berührungsfläche in bekannter Weise durchdringen können.
Beim Anlegen kleiner Spannungen an eine in Flußrichtung gepolte Tunneldiode wächst der Strom auf Grund des Tunneleffekts zunächst mit der Spannung, bis er einen Maximalwert erreicht. Wird die Spannung weitergesteigert, so fällt der Strom auf ein Minimum ab; in diesem Intervall besitzt die Stromspannungscharakteristik der Tunneldiode einen negativen Bereich. Bei weiterer Erhöhung der Spannung steigt die Kennlinir, wie bei einer gewöhnliehen Diode an. Tunnelstrom und normaler Diodenstrom zusammen ergeben den charakteristischen Verlauf der Tunneld;oden-Kennlinie.
In der Tunneltriode, die praktisch einen Transistor mit einem Tunnelübergang im Emitter-Basis-Berefch darstellt worden die Eigenschaften der Tunneldiode ausgenutzt, um einen Transistor mit außergewöhnlicher Charakteristik darzustellen.
Bei kleinen, von außen zwischen Emitter- und Basisbereich der Tunneltriode, angelegten Spannungen (EMK) ist die Strom#erstärkung a noch praktisch gleich Null, wobei a das Verhältnis von Kollektorstrom zu Emitterstrom ist. Oberhalb -einer bestimmten EMK, deren Wert sich aus der Kennlinie. des Tunnelübergangs und dem im Stromkreis des Tunnelübero,an-s wirksamen Widerstand in bekannter Weise ergibt, steigt die Stromverstärkung nahezu sprunhaft auf einen Wert von angenähert 1. Oberhalb dieser Sprungspannung nimmt die Tunneltriode praktisch die Eigenschaften eines herkömmlichen Transistors, bestehend aus pnp- bzw. npn-übergängen, an. Auf Grund dieser Eigenschaften kann ffie Tunneltriode unter anderem als Schalter oder als Sicherung verwendet werden.
Bekanntlich ist für den Tunneleffekt ein Material mit klemer effektiver Masse der Ladungsträger günstig; für den Kollektorbereich eines Transistors ist zur Erzieluno, einer hohen Stromverstärkuno, a ein Halbleitermaterial mit hoher Trägerlebensdauer i wichtig.
Tunneltrioden aus Germanium sind bereits bekannt. Ebenso sind Tunneldioden aus Germanium oder aus Galliumarsenid bekannt. Hierbei liegt der Tunnelübergang im Germanium bzw. im Gallium- i arsenid. Dar-über hinaus gibt es auch solche Tunnelübergänge, bei denen der Tunneleffekt zwischen Galliumarsenid und Germanium bewirkt wird. Erfindungsgemäß wird eine Tunneltriode vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sich auf einem #einkristallinen, insbesondere scheibenförmigen Germanium- oder Siliciumgrundkörper bestimmten Leitungstyps eine epitaktische Galliumarsenidschicht befindet, die den gleichen Leitungstyp besitzt wie der Germanium- oder Siliciumgrundkörper, aber bis über die Entartungskonzentration dotiert ist, daß über dieser Galliumarsenidschicht eine weitere bis über die Entartungskonzentration dotierte epitaktische Galliumarsenidschicht angeordnet ist, die den entgegengesetzten Leitungstyp wie die erste Galliumarsenidschicht besitzt, und daß sich auf der anderen Seite des Germanium- oder Siliciumgrundkörpers ein nicht tunnelnder pn-überga o, no, g befindet.
Eine Tunneltriode gemäß der Erfindung mit dem Tunnelübergang im Galliumarseni#d und dem nichttunnelnden Übergang im Germanium erscheint auf den ersten Blick als eine Verschlechterung einer vollständig aus Germanium aufgebauten Tunneltriode, denn es ist bekannt, daß für den Tunneleffekt eine kleine effektive Masse der Ladungsträger vorteilhaft ist. Diese effektive Masse ist aber beim Galliumarsenid größer als beim Germanium. Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Tunneltriode zeichnet sich jedoch gegenüber einer bekannten, aus Gennanium bestehenden Tunneltriode dadurch vorteilhaft aus, daß das Strommaximum erst bei höheren Spannungen zwischen Basis- und Emitterzone auftritt. Dadurch ist es möglich, beispielsweise einen Oszillator oder Verstärker höherer Ausgangsleistung herzustellen, als es mit einer Germaniumtriode möglich ist.
Besteht der Kollektorbereich der Tunneltriode, gemäß der Erfindung aus Silicium, so erzielt man noch den zusätzlichen Vorteil, daß höhere Betriebstemperaturen möglich sind. Galliumarsenid-Silicium-Tunneltrioden gemäß der Erfindung zeigen eine sehr geringe Temperaturabhängl-keit.
Der nicht tunnelnde pn-übergang kann durch gemeinsames, epitaktisches Abscheiden des Materials des Halbleitergrundkörpers mit einem den entgegengesetzten Leitungstyp des Halbleitergrundkörpers hervorrufenden Dotierungsstoff aus der Gasphase hergestellt werden oder auch durch Einlegieren einer Pille eines den entgegengesetzten Leitungstyp hervorrufenden Dotierunasstoffes in den Halbleitergrundkörpe,r. Ebenso läßt sich der nicht tunnelnde pn-über,-ang beispielsweise durch Eindiffundieren eines den entgegengesetzten Leitungstyp des Halbleitergrundkörpers erzeugenden Stoffes in den Halbleitergrundkörper herstellen.
An Hand der F i g. 1 bis 4 wird eine Tunneltriode gemäß der Erfindung am Beispiel einer n+p+pn-Triode näher beschrieben.
In der F i g. 1 ist eine Germaniumscheibe 1 mit p-Leitung dargestellt, auf die eine Galli#umarseni#dschicht 2, ebenfalls vom p-Leitungstyp, epitaktisch aufgebracht ist; das Aufbringen der Galliumarsenildschicht erfolgt beispielsweise dadurch, daß in einem Reaktionsraum ein Halogenid des Galliums, z. B. !ein Chlorid, bei höherer Temperatur mit Arsen zur Reaktion gebracht wird; auf die Germaniumscheibe, die in einem kälteren Bereich des Reaktionsraumes angeordnet ist, wird dann die Galliumarseni#dschicht epitaktisch abgeschieden. An Stelle einer Germaniumscheibe kann auch eine Siliciumscheibe verwendet werden. Die p-Leitung der Germaniumscheibe kann beispielsweise durch einen Gehalt an Bor, Aluminium, Gallium oder Indium hervorgerufen sein; der spezifische Widerstand des Germaniums kann zwischen 0,1 und 10 000 9 - cm liegen. Die p-Leitung in der Galliumarsenidschicht wird belspielsweise durch Zink oder Cadmium usw. bewirkt. Die Konzentration des Dotlerungsstoffes in der Galliumarsenidschicht beträgt mehr als 1019,/cm3.
Bei der Abscheid-ung des Galliumarsenids auf der Germanlurnscheibe empfiehlt es sich, die Flächen, auf denen keine Abscheldung erwünscht ist, mit einer Maske, z. B. aus inertern Material, wie etwa Graphit oder Quarz oder ähnlichem, abzudecken. Es ist aber auch möglich, keine Maske zu verwenden und das unerwünscht abgeschiedene Galliumarsenid nach der Abscheidun g zu entfernen, beispielsweise durch chemische Mittel.
Wie aus der F i g. 2 ersichtlich, wird dann ei-ne weitere Galliumarsenidschicht auf diese p-leidende Galliumarsenidschicht abgeschieden. Die zuletzt abgeschiedene Schicht ist n (7 -leitend und bis über die Entartungskonzentration dotiert. Beispielsweise enthält ste einen Zusatz von Selen mit einer Konzentration oberhalb von 10'9Atome/cm3. D«le Dotierung wird meist bei der Abscheidung des Galliumarsenids erzeugt. Sie kann jedoch auch nach der Abscheidung, z. B. durch Eindiffund.`eren des Dotierungsstoffes in die Schicht, bewirkt werden. Die Dotierungsverfahren müssen sorgfältig ausgeführt worden, damit der übergang 4 zwischen dem n- und dem p-Bereich der Galliumarsenidschichten nicht flach oder abgestuft ist, denn die Stromspannungscharakteristik der fertiigen Triode ist weitestgehend davon abhängig, daß dieser Übergang abrupt ist.
Bei der in F i g. 3 dargestellten Anordnung ist eine n-leitende Germaniumschicht auf die untere Fläche der p-leitenden Germaniumscheibe epi:taktisch aufgebracht, wodurch der nicht tunnelnde pn-üb#ergang 6 entsteht. Die Abscheidung des Germaniums kann beispielsweise durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Germaniumverbindung, wie etwa Germaniumtetrachlorid, erfolgen, die gegebenenfalls im Gemisch mit Wasserstoff zur Anwendung gelangt. Vorteilhafterweise wird gleichzeitig mit dem Halbleitermaterial ein Dotierungsstoff abgeschieden, der im Fall des Beispiels ein Element der V.Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, z. B. Phosphor, Arsen oder Antimon usw., sein kann. Der spezifische Widerstand dieser Schicht kann zwischen 0,1 und 1.0 000 Q -cm betragen. - Die Halbleiteranordnung wird, wie in der F i (y. 4 dargestellt, anschließend mit ohmschen Kontakten versehen. Der Kontakt 7 stellt den Emitteranschluß der Anordnung dar, 9 ist der Kollektoranschluß und, 8 die Basiskontaktierung.
Ein weiteres Beispiel einer Tunneltri#ode gemäß der Erfindung ist aus der F i g. 5 ersichtlich. In einem Halbleiterkörper, der im Prinzip wie der in F ig.2 dargestellte Halbleiterkörper aufgebaut ist, ist im unteren, p-leitenden Bereich eine Legierungsschicht 10 mit n-Leitungstyp durch Einlegieren eines Elements der V.Gruppe des Periodischen Systems der Elemente oder einer Legierung eines dieser Elemente mit einem nichtdotierenden Trägermetall, wie z. B. Gold, erzeugt, wobei sich eine Gold-Antimon-Legierung als recht vorteilhaft erweist. Dabei entsteht der pn-übergang 12. Die Legierungsschi#cht 10, die den Kollektor der Anordnung darstellt, ist sperrfrei kontaktiert.
Ein ebenso vorteilhaftes Beispiel einer nach dem Verfahren gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Tunneltriode ist in der F i g. 6 dargestellt.
Auf einem e#;nkristallinen Halbleitergrundkörper 13 aus Germanium, der mit Arsen bis zu einer Störstell,endichteN#10111/cm3 dotiert ist, ist c:ne mit Selen zu einer Störstellendichte von 5-1011/CM3 dotierte, einkristalline Gatliumarsenidschicht14 angeordnet; die beiden Schichten bilden einen Übergang 17, der gewöhnlich als Heteroübergang bezeichnet wird. Auf diese entartete, n-leitende Galliumarsenidschicht 14 ist mit abruptem Übergang eine weitere einkristalline Galliumarsenidschicht 15 aufgebracht, die ebenfalls bis zur Entartungskonzentration dotiert und durch einen Gehalt an Zink als Dotierungsstoff p-leitend ist. Die, Störstellendichte beträgt etwa 5-1019/em3.
Die beiden unterschiedlichen Galliumarsenidschichten bilden den Tunn,elübergang 1.8 der Triode. Es ist darauf zu achten, daß der Übergang scharf und nicht flach oder abgestuft ist; die Eigenschaften der Tunneitriode werden wesentlich durch diesen Übergang bestimmt. Mit flachen Übergängen lassen sich die gewünschten Eigenschaften nicht erzielen.
Auf der unteren Fläche des n-leitend-en Halbleitergrundkörpers aus Germanium ist eine mit Gallium bis zu einer Störstellendichte von N=10161cms dotierte Germaniumschicht epitaktisch aufgebracht, wodurch der nicht tunnelnde pn-Übergan..g19 gebildet wird.
Die Anordnunor wird, wie üblich, mit elektrischen Kontakten versehen. Die obere, p-leitende Galliumarsenidschicht wird als Emitterzone der Triode verwendet, die n-leitende Galliumarsenidschicht als Basiszone; die untere, n-leitende Germaniumschicht dient als Kollektor.

Claims

Patentansprüche: 1. Tunneltriode, dadurch gekennzei chnet, daß sich auf einem einkristallinen Germanium- oder Siliciumgrundkörper bestimmten Leitungstyps eine epitaktische GaAs-Schicht befindet, die den gleichen Leitungstyp besitzt wie der Germanium- oder Siliciumgrundkörper, aber bis Über die Entartungskonzentration dotiert ist, daß über dieser GaAs-Schicht eine weitere bis über die Entartungskonzentration dotierte #epi#-taktische GaAs-Schicht angeordnet ist, die den entgegengesetzten Leitungstyp wie die erste GaAs-Schicht besitzt, und daß sich auf der anderen Seite des Germanium- oder Siliciumgrundkörpers ein nicht tunnelnder pn-übergang befindet.
2. Tunneltriode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einkristalline Halbleitergrundkörper aus Germanium besteht und mit Arsen bis zu einer Stö#rstellendichte N= 1016/cm3 dotiert ist, daß auf dem Germanium eine mit Selen bis zu einer Störstellendichte von 5.1019/cm3 dotierte einkristalline Galliumarsen!-dschicht und auf dieser in abruptern Übergang eine mit Zink bis zu etwa der gleichen Störstellendichte dotierte, einkristalline Galliumarsenidschicht angeordnet ist und daß auf die untere Fläche des Germaniumgrundkörpers eine mit Gallium bis zu einer Störstellendichte, von N=10161cm3 dotierte Germaniumschicht epitaktisch aufgebracht ist. 3. Tunneltriode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Germanium- oder Siliciumgrundkörper die Forin einer Scheibe besitzt.