DE3689433T2

DE3689433T2 - Feldeffekttransistor.

Info

Publication number: DE3689433T2
Application number: DE86401845T
Authority: DE
Inventors: Kohki Hikosaka; Yasutake Hirachi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1985-08-20
Filing date: 1986-08-20
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2006-08-21
Also published as: EP0214047B1; US5023674A; EP0214047A3; EP0214047A2; DE3689433D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekttransistor, und besonders auf eine Anordnung mit einer Quantenmulde in einer Kanalstruktur. Der Kanal, der längs der Quantenmulde gebildet ist, ist auf Grund der Begrenzung von Trägern auf die Quantenmulde zweidimensional.

2. Beschreibung der verwandten Technik

Viele Versuche sind unternommen worden, um die Kennlinien eines Feldeffekttransistors FET beim Realisieren einer hohen Steilheit (gm), beim Reduzieren eines Kurzkanaleffektes und so weiter zu verbessern. Der elementare GaAs- MESFET hat ein halbisolierendes GaAs-Substrat, eine n-GaAs- Schicht, n&spplus;-Schichten, die mit einer Source bzw. einem Drain in Kontakt sind, Source- und Drainelektroden und eine Gateelektrode. Wenn eine Vorspannung an die Gateelektrode angelegt wird, wird eine Verarmungsschicht erweitert, um einen Stromfluß zu steuern. Zu dieser Zeit wird, falls eine Kanallänge verkürzt ist, ein Problem des Kurzkanaleffekts verursacht. Im allgemeinen wird, wenn die Kanallänge etwa 1 um oder weniger beträgt, eine Schwellenspannung Vth des Feldeffekttransistors positiv verändert. Je größer in diesem Fall die Verunreinigungskonzentration N in einer aktiven Schicht des Kanals ist, desto kleiner ist die Veränderung der Schwelle Vth. Um den Kurzkanaleffekt bei dem MESFET zu reduzieren, kann deshalb die aktive Schicht hoch dotiert werden. Wenn die aktive Schicht einmal hoch dotiert ist, wird die Verarmungsschicht dünner, so daß gm verbessert werden kann.
Bei der Anordnung nach Stand der Technik kann jedoch auf Grund solcher Probleme wie einer Abnahme der Elektronenbeweglichkeit und einer Abnahme einer Stehspannung der Anordnung die Anzahl von Trägern nicht einfach erhöht werden, indem eine hohe Dotierung eingesetzt wird.
Ein Transistor nach Stand der Technik, der in Microelectronics Engineering, Bd. 2, Nr. 1/3, Seiten 34-43, in einem Artikel von C. Hamaguchi et al. mit dem Titel "Physics of nanometer structure devices" beschrieben ist, besteht aus einem Einzelquantenmuldentransistor (SQWT), der eine modulationsdotierte Quantenmulde von wesentlicher Dicke aufweist, die aus zwei GaAs-Schichten gebildet ist, die entsprechend dotiert und undotiert sind und jeweils eine Dicke von 250 Å (10 Å = 1 nm) haben. Diese Schichten liegen zwischen undotierten GaAs-Schichten von einer Dicke von 100 Å, wovon auf einer eine FET-Struktur gebildet ist.
Ein Bericht in Applied Physics Letters, Bd. 45, Nr. 8, Seiten 902-904, von D. Arnold et al. mit dem Titel "High performance and large current double interface modulationdoped field-effect transistors with the bulk (Al, Ga)As replaced by superlattice at the inverted interface" zeigt ein invertiertes n-GaAs/AlAs-Supergitter, das aus einer Folge von dotierten und undotierten Schichten besteht.
Schließlich enthält ein Bericht, veröffentlicht in den IEEE Transactions on Electron Devices, Bd. ED-28, Nr. 5, Seiten 505-510, von K. BOARD et al. mit dem Titel "Characteristics of planar doped FET structures", eine theoretische Erörterung des Verhaltens von freien Trägern, die auf mehrere dotierte Ebenen begrenzt sind, und wie dies die Übertragungskennlinien der FET-Anordnung, die solch eine Struktur verwendet, beeinträchtigt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Feldeffekttransistor vorzusehen, bei dem die Anzahl von Trägern erhöht sein kann, wobei sowohl die Elektronenbeweglichkeit als auch die Durchbruchspannung der Anordnung erhalten oder verstärkt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Feldeffekttransistor vorgesehen, wie in den Ansprüchen 1 und 7 definiert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines GaAs- MESFET nach Stand der Technik zeigt;
Fig. 2 ist ein Kennliniendiagramm, das einen Kurzkanaleffekt erläutert;
Fig. 3 ist ein Kennliniendiagramm, das ein Energieband des MESFET erläutert;
Fig. 4 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Feldeffekttransistors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5A und 5B sind Kennliniendiagramme, die das Energieband und die Elektronenverteilung in der in Fig. 4 gezeigten Anordnung erläutern;
Fig. 6 ist ein Kennliniendiagramm, das eine Unterschwelle erläutert;
Fig. 7 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Feldeffekttransistors gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8A und 8B sind Kennliniendiagramme, die das Energieband und die Elektronenverteilung in der in Fig. 7 gezeigten Anordnung erläutern;
Fig. 9A und 9B sind vergrößerte Darstellungen eines Abschnittes von Fig. 8A und 8B;
Fig. 10A und 10B sind Kennliniendiagramme, die das Energieband und die Elektronenverteilung der Anordnung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und
Fig. 11A und 11B sind Kennliniendiagramme, die das Energieband und die Elektronenverteilung der Anordnung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bevor die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, erfolgt eine Erläuterung des GaAs-MESFET nach Stand der Technik unter Bezugnahme auf Fig. 1. In Fig. 1 bezeichnet 11 ein halbisolierendes (SI) GaAs-Substrat; 43 eine n-GaAs-Schicht; 51 und 61 n&spplus;-Schichten, die sich mit einer Source bzw. einem Drain in Kontakt befinden; 52 und 62 eine Sourceelektrode bzw. eine Drainelektrode; und 7 eine Gateelektrode. Wenn an die Gateelektrode 7 eine Vorspannung angelegt wird, wird eine Verarmungsschicht 44 erweitert, um einen Kanalstrom zu steuern. Zu dieser Zeit kann, falls die Kanallänge verkürzt ist, das Problem eines Kurzkanaleffekts auftreten, wie in Fig. 2 gezeigt; wenn die Kanallänge auf etwa 1 um oder weniger reduziert ist, wird eine Schwellenspannung Vth des Feldeffekttransistors verändert, wie in Fig. 2 gezeigt. Je größer in diesem Fall die Verunreinigungskonzentration N in einer aktiven Schicht des Kanals ist, desto kleiner ist die Veränderung der Schwelle Vth. Deshalb wird die aktive Schicht hoch dotiert, um den Kurzkanaleffekt zu reduzieren. Wenn die aktive Schicht einmal hoch dotiert ist, ist eine Verarmungsschicht, die in einem Energieband von Fig. 3 gezeigt ist, dünner, und die Anzahl von zu modulierenden Trägern steigt, so daß gm verbessert werden kann.
Bei der Anordnung nach Stand der Technik kann jedoch die Anzahl von Trägern auf Grund der Probleme wie eines Rückgangs der Elektronenbeweglichkeit (dessen Effekt zu einer Abnahme der Elektronengeschwindigkeit führt) und eines Rückgangs einer Durchbruchspannung der Anordnung nicht einfach erhöht werden.
Fig. 4 zeigt einen Aufbau eines Feldeffekttransistors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 4 sind auf einem halbisolierenden (SI) GaAs-Substrat 11 eine i-AlGaAs-Schicht 12, eine Quantenmuldenzone QW, eine i- AlGaAs-Schicht 41 und eine i-GaAs-Schicht 42 gebildet. Ein Molenbruch x des AlAs in den i-AlGaAs-Schichten 12 und 41 liegt im allgemeinen zwischen 0,2 und 1,0, wird aber zum Teil wegen ihrer Qualität des Materials ausgewählt, um zum Beispiel 0,2 bis 0,3 zu betragen.
Die Quantenmuldenzone QW besteht aus einer i-GaAs- Schicht 21, einer n-GaAs-Schicht 22 und einer i-GaAs-Schicht 23 und ist auch in AlGaAs-Schichten enthalten. Die Dotierungsschicht 22 in der Quantenmulde QW ist zum Beispiel eine Schicht mit planarer oder hoher Dotierung.
Die obigen Schichten können folgendermaßen verkörpert sein:
Schichten 12 und 41: Dies sind undotierte AlGaAs-Schichten, wovon jede eine Schichtdicke von einigen hundert Ångström hat, so daß Träger nicht hindurchtunneln können.
Schichten 21 und 23: Dies sind undotierte GaAs-Schichten, wovon jede eine Schichtdicke von zig Ångström hat.
Schicht 22: Dies ist eine n-GaAs-Schicht. Falls bei der Schicht eine planare Dotierung eingesetzt wird, wird es eine atomare planare Dotierung sein, bei der eine monoatomare Si- oder Se-Schicht zwischen den i-GaAs-Schichten eingefügt wird, und falls ein hohe Dotierung eingesetzt wird, wird die Dotierungskonzentration in dem Bereich von 10¹&sup8; bis 10¹&sup9; cm&supmin;³ liegen. Die Schichtdicke beträgt praktisch zig Ångström bis etwa einhundert Ångström. Die dotierte n- GaAs-Schicht 22 ist auf ihren beiden Seiten mit den nichtdotierten i-GaAs-Schichten 21 und 23 versehen, um zu verhindern, daß die Dotierungssubstanzen zu den i-AlGaAs- Schichten 12 und 41 diffundieren. Die Quantenmuldenzone QW, die aus den Schichten 21, 22 und 23 (und auch 12 und 41) besteht, hat eine Dicke von 100 Ångström oder weniger, um die Zweidimensionalität bei den Elektronen zu gewährleisten.
Schicht 42: Dies ist eine undotierte GaAs- Schicht mit einer Schichtdicke von einigen hundert Ångström.
Die Dotierungsschicht 22 kann an einer Position dicht an Heteroübergängen in der Quantenmulde gebildet sein. Vorzugsweise wird die Dotierungsschicht dicht an den Heteroübergängen (etwa zehn Ångström) vorgesehen, da die Elektronenbeweglichkeit auf Grund einer effektiven Trennung zwischen ionisierten Verunreinigungselektronen und zweidimensionalen Elektronen verstärkt wird.
In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen 51 und 61 n&spplus;- Zonen von 10¹&sup7; bis 10¹&sup8; cm&supmin;³, die durch eine Ionenimplantation mit Si&spplus;-Ionen gebildet sind; 52 und 62 eine Sourceelektrode bzw. eine Drainelektrode (AuGe/Au); und 7 eine Gateelektrode (Al).
Fig. 5A ist ein Energiebanddiagramm, bei dem die Quantenmulde QW zwischen den i-AlGaAs-Schichten 41 und 12 gebildet ist. Fig. 5B zeigt die Verteilung der Elektronen (e) in der Quantenmulde QW. Die Schicht der planaren Dotierung oder der hohen Dotierung ist in der Quantenmulde QW gebildet. Die Elektronen, die von der Schicht zugeführt werden, sind durch Heteroübergänge begrenzt, um die Zweidimensionalität beizubehalten. Die Dicke der Quantenmulde QW beträgt tatsächlich etwa 100 Ångström, um die Zweidimensionalität vorzusehen.
Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung hat folgende Kennlinien:
(i) Die Anzahl von Trägern in dieser Anordnung kann mit steigender Schichtdotierungsdichte erhöht werden, während die Trägerdichte bei einem HEMT oder MODFET durch das Fermi-Niveau begrenzt ist, das den Boden des Leitungsbandes in der n-AlGaAs-Schicht durchquert.
Ferner können in dem Kanal unter der Bedingung der Gatevorspannung in Durchlaßrichtung auf Grund der MIS-Operation dieser Anordnung Überschußelektronen erzeugt werden.
(ii) Die Dotierungskonzentration in dem Kanal ist hoch, und Elektronen sind durch die Heteroübergänge der Quantenmulde QW begrenzt, so daß ein schmaler Kanal gebildet wird, um den Kurzkanaleffekt im Vergleich zu dem MESFET nach Stand der Technik weiter zu reduzieren.
(iii) Da die Elektronen durch eine relativ hohe Grenze eines unteren Heteroübergangs (der rechte Heteroübergang in Fig. 2) begrenzt sind, ist eine Stromsperrungskennlinie, die sogenannte Unterschwellenkennlinie, in der Nähe einer Nullinie des Stroms(in der Nähe einer Einschnürung) ausgezeichnet.
(iv) Da eine Gatekapazität auf Grund der MIS-Typ- Struktur konstant ist, wird die Linearität einer Anordnungskennlinie (eine konstante gm) zufriedenstellend realisiert.
(v) Die Dotierung erfolgt bei der GaAs-Schicht (kein ΔX-Zentrum), so daß die Schwelle durch eine Temperatur weniger beeinträchtigt wird.
(vi) Da der Kanal zweidimensional ist, ist die Verunreinigungsdotierung auf einen Teil in der Quantenmulde begrenzt (besonders nahe an Heteroübergängen dotiert), und die Trägerbeweglichkeit kann beibehalten und verbessert werden.
(vii) Da die Gateelektrode auf einer Schicht mit hohem Widerstand, wie auf der i-GaAs-Schicht und der i- AlGaAs-Schicht, gebildet werden kann, wird die Gatestehspannung verbessert.
Fig. 7 zeigt einen Feldeffekttransistor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 7 sind auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 11 eine nichtdotierte i-AlGaAs-Schicht 12, eine Quantenmuldenschicht (QW) 2, eine i-AlGaAs-Schicht 41 und eine i-GaAs-Schicht 42 gebildet, und eine Vielzahl von Elektronen, besonders Überschußelektronen, schirmen die ionisierte Verunreinigung ab. Ein Molenbruch x des AlAs in den i-AlGaAs-Schichten 12 und 41 liegt im allgemeinen zwischen 0,2 und 1,0, und bei dieser Ausführungsform zwischen 0,2 und 0,3.
Die Quantenmuldenschicht QW 2 umfaßt eine i-GaAs- Schicht 25, eine i-AlGaAs-Grenzschicht 26, i-GaAs-Schichten 27 und 29 und eine Dotierungsschicht 28. Die Dotierungsschicht 28 ist eine Schicht mit planarer Dotierung oder hoher Dotierung.
Die obigen Schichten können folgendermaßen verkörpert sein:
Schichten 12 und 41: Dies sind nichtdotierte i- AlGaAs-Schichten, wovon jede eine Schichtdicke von einigen hundert Ångström hat, so daß Träger nicht hindurchtunneln können.
Schicht 25: Dies ist eine nichtdotierte i-GaAs- Schicht mit einer Schichtdicke von 100 Ångström.
Schicht 26: Dies ist eine nichtdotierte i- AlGaAs-Schicht mit einer Schichtdicke von 10 Ångström (= 12), so daß Träger hindurchtunneln können.
Schichten 27, 28 und 29: Dies sind GaAs-Schichten mit einer Gesamtschichtdicke von 20 Ångström (= l&sub1;). Die Schichten 27 und 29 sind nichtdotierte Schichten. Falls die Schicht 28 eine Schicht mit planarer Dotierung ist (eine Schicht mit atomarer planarer Dotierung, bei der eine einatomige Schicht oder eine vielatomige Schicht aus Si oder Se zwischen i-GaAs-Schichten eingefügt ist), wird die Dotierungskonzentration durch Verunreinigungen von Si oder Se 10²&sup0; cm&supmin;³ überschreiten, und falls die Schicht 28 eine Schicht mit hoher Dotierung ist, wird die Dotierungskonzentration etwa 10¹&sup8;-10¹&sup9; cm&supmin;³ betragen. Die dotierte n-GaAs- Schicht 28 ist auf ihren beiden Seiten mit den nichtdotierten i-GaAs-Schichten 27 und 29 versehen, um zu verhindern, daß die Dotierungssubstanzen zu den i-AlGaAs-Schichten 26 und 41 diffundieren. Die Quantenmulde QW 2, die die Schichten 25, 26, 27, 28 und 29 umfaßt, hat zum Beispiel eine Dicke von 130 Å, um die Zweidimensionalität zu gewährleisten.
Schicht 42: Dies ist eine nichtdotierte i-GaAs- Schicht mit einer Schichtdicke von einigen hundert Ångström.
In Fig. 7 bezeichnen die Bezugszeichen 51 und 61 Zonen von 10¹&sup7; bis 10¹&sup8; cm&supmin;³, die durch eine Ionenimplantation mit Si&spplus;-Ionen gebildet sind; 52 und 62 eine Sourceelektrode bzw. eine Drainelektrode (AuGe/Au); und 7 eine Gateelektrode (Al).
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Quantenmulde durch die Grenzschicht in Zonen mit einer schmalen und einer weiten Breite getrennt ist. Ein anderes schematisches Diagramm der in Fig. 7 gezeigten Anordnung wird unter Bezugnahme auf Fig. 8A und 8B beschrieben. Fig. 8A ist ein Energiebanddiagramm, das den Feldeffekttransistor der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 8A zeigt eine Gateelektrode 7 aus Al, eine Kappenschicht 42 aus einer i-GaAs- Schicht, eine i-AlGaAs-Schicht 41, eine Quantenmulde QW und eine i-AlGaAs-Schicht 12. Die Quantenmulde QW hat eine dünne Grenzschicht 26, die an einer asymmetrischen Position vorgesehen ist, so daß Elektronen hindurchtunneln können. Die Quantenmuldenzone QW ist durch die Grenzschicht 26 getrennt, und Verunreinigungen sind nur für eine Zone mit schmaler Breite dotiert. Die Quantenmulde QW hat eine Breite von etwa 100 Ångström, um die Zweidimensionalität vorzusehen. Fig. 8B zeigt die Elektronenverteilung in der Mulde.
Wie oben beschrieben, hat die Quantenmuldenzone QW an einer asymmetrischen Position von ihr eine dünne AlGaAs- Grenzschicht, so daß Elektronen durch die Grenzschicht hindurchtunneln können. Als Resultat ist die Positionswahrscheinlichkeitsdichte von Elektronen in der Zone der schmalen Breite der Quantenmulde klein und in der Zone der weiten Breite der Quantenmulde groß.
Ein Quantenenergieniveau En (durch unbestimmte quadratische Approximation des Muldenpotentials) ist nämlich proportional einem Reziproken von Δx² (die Breite Δx der Quantenmulde) und empfindlich gegenüber der Breite. Falls die Quantenmulden unabhängig existieren, werden die verschiedenen Energieniveaus tatsächlich gemäß den Mulden gebildet.
Wenn jedoch einmal die dünne Grenzschicht, durch die Elektronen hindurchtunneln können, zwischen Quantenmulden vorgesehen ist, wird für die Mulden nur ein einzelnes Niveau gebildet, es werden aber keine separaten Niveaus jeweils für die Zone der Schichten 27, 28 und 29 mit schmaler Breite und für die Zone mit weiter Breite 25 gebildet. Wie in vergrößerten Ansichten von Fig. 9A und 9B gezeigt, unterscheidet sich als Resultat die Elektronenverteilung (schraffierter Abschnitt) in der Zone mit schmaler Breite REGION-1 deutlich von jener in der Zone mit weiter Breite REGION-2. Es sei angemerkt, daß in Fig. 9A eine Bandkrümmung nicht gezeigt ist.
Die vorliegende Erfindung nutzt die obige physikalische Erscheinung, um eine Elektronenschicht mit einer hohen durchschnittlichen Elektronenbeweglichkeit durch ein Verfahren zu erhalten, das sich von dem des Standes der Technik unterscheidet.
Es wird nämlich eine n-Schicht mit hoher Dotierungskonzentration 28 in der Zone der schmalen Breite REGION-1 der Quantenmulde durch ein Verfahren der planaren Dotierung eingesetzt, etc., um die Positionswahrscheinlichkeitsdichte von Elektronen in der Zone mit weiter Breite REGION-2, die die nichtdotierte Schicht der Quantenmulde ist, zu erhöhen, so daß eine Elektronenschicht mit hoher Beweglichkeit realisiert wird.
Die gebildete Elektronenschicht ist auf die Quantenmulde begrenzt, um die Zweidimensionalität zu erreichen. Zum Beispiel beträgt l&sub1; = 20 Ångström und l&sub3; = 100 Ångström.
Die Dicke und Energiehöhe der dünnen Grenzschicht in der Quantenmulde können optional gewählt werden, sollen aber so ausgewählt werden, daß Elektronen durch die Grenzschicht hindurchtunneln können.
Je schmaler die Dotierungszone der Quantenmulde ist, desto größer ist die Asymmetrie zwischen den Zonen mit schmaler und weiter Breite, so daß die gesamte Elektronenbeweglichkeit verbessert wird.
Die Heteroübergänge sind zum Beispiel unter Verwendung von AlGaAs/GaAs/AlGaAs-Schichten gebildet. Die Struktur hat eine verbesserte Elektronenbeweglichkeit im Vergleich zu dem MESFET, und es wird erwartet, daß sie dieselbe Elektronenbeweglichkeit wie die einer herkömmlichen HEMT- oder MODFET- Struktur realisiert. Da das GaAs-Material (kein ΔX-Zentrum) dotiert ist, wird die Schwellenspannung durch die Temperaturveränderung und den Vorspannungsschritt weniger beeinträchtigt.
Da die Elektronen durch die Heteroübergänge begrenzt sind, wird ferner die Unterschwellenkennlinie verbessert und der Kurzkanaleffekt reduziert. Außerdem kann die Elektronenkonzentration in dem Kanal mit steigender Dotierungsdichte erhöht werden, und somit kann ein schmaler Kanal realisiert werden. Als Resultat kann der Kurzkanaleffekt im Vergleich zu dem MESFET nach Stand der Technik weiter reduziert und somit deutlich reduziert werden.
Aus dem ähnlichem Grund wird sowohl die Linearität der Anordnungskennlinie als auch der Einsatz der MIS-Struktur der vorliegenden Erfindung verbessert.
Andererseits ist der MESFET nach Stand der Technik ein Homoübergang mit einer niedrigeren Grenzschicht, so daß die Kennlinienkurve einer Gatespannung Vgs und eines Drainstroms Id weit davon entfernt ist, linear zu sein, und die Unterschwellenkennlinie ist nicht ausreichend zufriedenstellend.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen können für die vorliegende Erfindung viele Abwandlungen vorgenommen werden. Zum Beispiel können eine Vielzahl von Grenzschichten, durch die Elektronen hindurchtunneln können, und eine Quadratwurzel eines Drainstroms Id vorgesehen werden, um von den Zonen, die durch die Vielzahl von Grenzschichten abgeteilt sind, nur die Zonen mit schmaler Breite mit Verunreinigungen zu dotieren. Ein Energieband für solch eine abgewandelte Ausführungsform ist in Fig. 10A gezeigt. Es sei angemerkt, daß in Fig. 10A und 10B die Bandkrümmung nicht dargestellt ist. Die Elektronenverteilung ist in Fig. 10B gezeigt. Bei dieser Ausführungsform werden zwei Grenzschichten (i-AlGaAs) 24 und 26 verwendet, durch die Elektronen hindurchtunneln können. Ein Molenbruch x des AlAs der i-AlGaAs-Grenzschichten 24 und 26 kann gleich dem anderen sein oder kann sich von dem anderen unterscheiden, wie in Fig. 10A gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind x 0,5 und 0,2. In Fig. 10A sind Zonen mit schmaler Breite auf beiden Seiten einer Quantenmulde gebildet und mit Dotierungsschichten 28 bzw. 22 versehen. Die Breite der mittleren Zone REGION-2 ist weiter als jene der beiden Zonen REGION-1 und REGION-3. Die Elektronen werden in der mittleren, weiteren Zone mit einer höheren Positionswahrscheinlichkeitsdichte vorkommen. Außerdem werden Elektronen von beiden schmalen Zonen zugeführt, so daß eine Schichtträgerkonzentration Ns viel höher sein wird als jene der in Fig. 9A und 9B gezeigten Ausführungsform.
Fig. 11A und 11B zeigen noch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es sei angemerkt, daß in Fig. 11A und 11B die Bandkrümmung nicht dargestellt ist. Diese zeigen das Energieband bzw. die Elektronenverteilung. In Fig. 11A sind die AlAs-Grenzschichten mit 26 und 30 bezeichnet. Elektronen, die von einer schmalen Zone bereitgestellt werden, tendieren dazu, sich mehr in Richtung einer weiten Zone REGION-2 zu konzentrieren als in Fig. 9. Denn die höhere Grenzschicht erzeugt die größere Anzahl von Trägern, die auf Grund der größeren Differenz bei dem Elektronenenergieniveau in die weite Zone zu übertragen sind. Wenn die höheren dünnen Grenzschichten (Grenzschichten mit einem größeren x) auf beiden Seiten der Dotierungsschicht 28 in der Zone mit schmaler Breite vorgesehen werden, wird als Resultat die Anzahl von Trägern, die zu der nichtdotierten weiten Zone übertragen werden, ansteigen, und somit wird eine viel höhere Elektronenbeweglichkeit realisiert.
Die vorliegende Erfindung gestattet eine große Vielfalt von Materialien für den Aufbau. Die Beispiele von Materialpaaren, die eine unterschiedliche Elektronenaffinität haben, sind InGaAs/InAlAs, Ga/GaAs, InP/InAlAs, GaAs/InGaP, GaSb/AlSb und so weiter.

Claims

1. Ein Feldeffekttransistor mit:

einem Halbleitersubstrat (11);

einer ersten Halbleiterschicht (12), die auf dem genannten Halbleitersubstrat gebildet ist;

einer zweiten Halbleiterschicht (41), die über der genannten ersten Halbleiterschicht gebildet ist, welche ersten und zweite Halbleiterschichten jeweils eine Elektronenaffinität und jeweils so eine Gesamtdicke haben, daß Träger nicht hindurchtunneln können;

einer dritten Halbleiterschicht (21, 22, 23; 25, 26, 27, 28, 29), die zwischen den genannten ersten und zweiten Halbleiterschichten gebildet ist, wobei Heteroübergänge zwischen den genannten ersten und dritten Halbleiterschichten und den genannten zweiten und dritten Halbleiterschichten gebildet sind, welche dritte Halbleiterschicht eine Quantenmulde umfaßt, die durch eine dotierte Schicht (22, 28) und durch undotierte Schichten (21, 23; 25, 26, 27, 29) auf deren beiden Seiten gebildet ist, und eine verbotene Bandbreite hat, die schmaler als eine verbotene Bandbreite der genannten ersten und zweiten Halbleiterschichten ist, und

einer Gateelektrode (7), zum Steuern von Trägern in der genannten dritten Halbleiterschicht, die über der genannten zweiten Halbleiterschicht gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Quantenmulde eine Dicke von 13 nm oder weniger hat;

und daß der genannte Feldeffekttransistor ferner umfaßt:

eine Sourcezone (51) und eine Drainzone (61), die auf jeweiligen Seiten der genannten Gateelektrode vorgesehen sind und die genannten ersten, zweiten und dritten Halbleiterschichten kontaktieren;

eine Sourceelektrode (52) und eine Drainelektrode (62), die auf der genannten Source-/Drainzone gebildet sind; und

einen Kanal, der in der genannten dritten Halbleiterschicht längs der genannten Quantenmulde gebildet ist.

2. Ein Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, bei dem die genannte Quantenmuldenschicht eine planar dotierte Schicht hat.

3. Ein Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dotierungskonzentration der genannten Quantenmuldenschicht höher als 10¹&sup8; cm&supmin;³ ist.

4. Ein Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, bei dem die genannte Quantenmulde (21, 22, 23) als einzelne Quantenmulde vorgesehen ist.

5. Ein Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, bei dem das genannte Halbleitersubstrat (11) aus halbisolierendem Galliumarsenid GaAs hergestellt ist, die genannten ersten und zweiten Halbleiterschichten (12, 41) aus Aluminium- Galliumarsenid AlGaAs hergestellt sind, die genannte dritte Halbleiterschicht (21, 22, 23) aus Galliumarsenid GaAs hergestellt ist, und die genannte dotierte Schicht (22) eine Schicht mit planarer Dotierung oder eine Schicht mit hoher Dotierung ist.

6. Ein Feldeffekttransistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine nichtdotierte Galliumarsenidschicht (21, 23) auf beiden Seiten der genannten Dotierungsschicht angeordnet ist.

7. Ein Feldeffekttransistor mit:

einem Halbleitersubstrat (11);

einer zweiten Halbleiterschicht (41), die über der genannten ersten Halbleiterschicht gebildet ist, welche ersten und zweiten Halbleiterschichten jeweils eine Elektronenaffinität und jeweils so eine Gesamtdicke haben, daß Träger nicht hindurchtunneln können;

einer dritten Halbleiterschicht (21, 22, 23; 25, 26, 27, 28, 29), die zwischen den genannten ersten und zweiten Halbleiterschichten gebildet ist, wobei Heteroübergänge zwischen den genannten ersten und dritten Halbleiterschichten und den genannten zweiten und dritten Halbleiterschichten gebildet sind, und

einer Gateelektrode (7), zum Steuern von Trägern in der genannten dritten Halbleiterschicht, die über der genannten zweiten Halbleiterschicht gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte dritte Halbleiterzone eine erste Unterschicht umfaßt, die eine dotierte Schicht (28) enthält, welche erste Unterschicht eine erste Dicke hat; eine zweite Unterschicht (25), die im wesentlichen undotiert ist und eine zweite Dicke hat, die größer als die erste Dicke ist; und eine Grenzschicht (26), die zwischen den genannten ersten und zweiten Unterschichten gebildet ist und einen Tunneleffekt durch sie gestattet,

wodurch eine Quantenmuldenzone gebildet wird, die durch die genannte Grenze geteilt ist und eine verbotene Bandbreite hat, die schmaler als eine verbotene Bandbreite der genannten ersten und zweiten Halbleiterschichten ist, welche Quantenmulde so eine Dicke hat, um darin eine zweidimensionale Elektronenbegrenzung zu gewährleisten,

und daß der genannte Feldeffekttransistor ferner umfaßt:

eine Sourcezone (51) und eine Drainzone (61), die auf zwei Seiten der genannten Gateelektrode vorgesehen sind und die genannten ersten, zweiten und dritten Halbleiterschichten kontaktieren;

8. Ein Feldeffekttransistor nach Anspruch 7, bei dem die genannte Quantenmuldenzone (25, 26, 27, 28) 13 nm oder weniger beträgt.