Halbleiter-Elektronik Eine aktuelle Buchreihe fiir Studierende und Ingenieure

Halbleiter-Bauelemente beherrschen heute einen großen Teil der Elektrotech­nik. Dies äußert sich einerseits in der großen Vielfalt neuartiger Bauelemente und andererseits in den enormen Zuwachsraten der Herstellungsstückzahlen. Ihre besonderen physikalischen und funktionellen Eigenschaften haben komple­xe elektronische Systeme z. B. in der Datenverarbeitung und der Nachrichten­technik ermöglicht. Dieser Fortschritt konnte nur durch das Zusammenwirken physikalischer Grundlagenforschung und elektrotechnischer Entwicklung er­reicht werden.

Um mit dieser Vielfalt erfolgreich arbeiten zu können und auch zukünftigen Anforderungen gewachsen zu sein, muß nicht nur der Entwickler von Bauele­menten, sondern auch der Schaltungstechniker das breite Spektrum von physi­kalischen Grundlagenkenntnissen bis zu den durch die Anwendung geforderten Funktionscharakteristiken der Bauelemente beherrschen.

Dieser engen Verknüpfung zwischen physikalischer Wirkungsweise und elek­trotechnischer Zielsetzung soll die Buchreihe "Halbleiter-Elektronik" Rechnung tragen. Sie beschreibt die Halbleiter-Bauelemente (Dioden, Transistoren, Thyri­storen usw.) in ihrer physikalischen Wirkungsweise, in ihrer Herstellung und in ihren elektrotechnischen Daten.

Um der fortschreitenden Entwicklung am ehesten gerecht werden und den Lesern ein für Studium und Berufsarbeit brauchbares Instrument in die Hand geben zu können, wurde diese Buchreihe nach einem "Baukastenprinzip" konzi­piert:

Die ersten beiden Bände sind als Einführung gedacht, wobei Band 1 die phy­sikalischen Grundlagen der Halbleiter darbietet und die entsprechenden Begrif­fe definiert und erklärt. Band 2 behandelt die heute technisch bedeutsamen Halbleiterbauelemente in einfachster Form. Ergänzt werden diese beiden Bände durch die Bände 3 bis 5, die einerseits eine vertiefte Beschreibung der Bänder­struktur und der Transportphänomene in Halbleitern und andererseits eine Ein­führung in die technologischen Grundverfahren zur Herstellung dieser Halblei­ter bieten. Alle diese Bände haben als Grundlage einsemestrige Grund- bzw. Er­gänzungsvorlesungen an Technischen Universitäten.

Fortsetzung und Übersicht über die Reihe: 3. Umschlagseite

Halbleiter-Elektronik Herausgegeben von W. Heywang und R. Müller Band16

W. Kellner · H. Kniepkamp

GaAs­Feldeffekttransistoren

Mit 119 Abbildungen

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Dr. phil. WALTER KELLNER Fachgruppenleiter, Zentrale Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München

Dipi.-Phys. HERMANN KNIEPKAMP Fachabteilungsleiter, Zentrale Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München

Dr. rer. nat. WALTER HEYWANG Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München Professor an der Technischen Universität München

Dr. techn. RUDOLF MÜLLER Professor, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektronik der Technischen Universität München

CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Biblithek. Kellner, Waller: GaAs-Feldeffekttransistoren!W Kellner; H. Kniepkamp.­Berlin; Heidelberg; NewYork; Tokyo: Springer 1985. (Halbleiter-Elektronik; Bd.16)

ISBN 978-3-540-13763-4 ISBN 978-3-662-07363-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-07363-6

NE: Kniepkamp, Hermann; GT Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des§ 54, Abs. 2 UrhG werden durch die »Verwertungsgesellschaft Wort«, München, wahrgenommen.

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1985

Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1985

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

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Vorwort

Die zunehmende Bedeutung von Galliumarsenid-Feldeffekttransi­

storen al& vielseitig einsetzbare Bauelemente in der Mikro­

wellentechnik und als Grundelemente integrierter Schaltungen

gab den Anlaß, diesem Bauelement einen eigenen Band der Reihe

"Halbleiter-Elektronik" zu widmen. Hierin werden zunächst die

Grundlagen und die Theorie des Stromtransports allgemein für

Hochfrequenz-FET behandelt. Kleinsignalverhalten, Rauschen,

Großsignalverhalten (FET als Leistungsverstärker), Technolo­

gie und Zuverlässigkeit werden am Beispiel des Galliumarsenid­

Feldeffekttransistors dargestellt. Die Schlußkapitel bieten

einen Ausblick auf neuere Technologie und Materialien für

Feldeffekttransistoren sowie auf integrierte Schaltungen.

Das Buch wendet sich an Ingenieure, Naturwissenschaftler und

Studenten, die sich in die Thematik der Feldeffekttransisto­

ren auf Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid oder Indium­

phosphid einlesen oder einarbeiten wollen. Vorausgesetzt wird

die Kenntnis der Grundlagen der Halbleiter-Elektronik, wie sie

beispielsweise in Band 1 dieser Reihe dargestellt ist.

Unser Dank gilt den Herren Prof. Dr. Walter Heywang, Prof. Dr.

Rudolf Müller und Dr. Jan-Erik Müller für kritische Anmerkun­

gen zum Manuskript. Den Herren Dr. Herbert Weidlich und Dr.

Ewald Pettenpaul danken wir für die Bereitstellung von Meßer­

gebnissen an Kleinsignal-FET, Frau Jutta Striedacher und Frau

Barbara Hauser für das Schreiben des Manuskripts sowie dem

Springer-Verlag für die sorgfältige Gestaltung des Buches.

München, im Oktober 1984 W. Kellner, H. Kniepkamp

5

Inhaltsverzeichnis

Bezeichnungen und Symbole. . . . . . . . . . . . . . . . 11

Einleitung 17

2 Grundlagen 1 9

2.1 Prinzip des FET. 1 9

2.2 Ausführungsformen von FET. 26

2.3 Der Metall-Halbleiter-übergang 29

2.3.1 Austrittsarbeit und Elektronenaffinität. 30

2.3.2 Metall-Halbleiter-Kontakt. . . . . . . 31

2.3.3 Oberflächenzustände und Barrierenhöhe. 33

2.3.3.1 Halbleiter mit hoher Oberflächenzustandsdichte.

2.3.3.2 Halbleiter mit geringer Oberflächenzustandsdichte.

2.3.4 Stromtransport im Metall-Halbleiter-

36

37

Kontakt. . . . . . . . . . . . 39

2.3.4.1 Majoritätsträgerstrom. 39

2.3.4.2 Minoritätsträgerstrom. 45

2.3.5 Die Kapazität des Metall-Halbleiter-Kontakts . 46

2.4 Der p+n-übergang . . . . 47

2.4.1 Diffusionsspannung des abrupten p+n-übergangs. . . . . . . 4 7

2.4.2 Strom-Spannungs-Charakteristik . 50

2.4.3 Einfluß von Generation und Rekombination in der Raumladungszone 51

2.4.4 Diffusionskapazität. . 53

7

2.5 Die MIS-Struktur

2.5.1 Die ideale MIS-Struktur.

2.5.2 Einfluß von Austrittsarbeit des Metalls, von Ladungen im Isolator und von Ober­flächenzuständen auf die MIS-Charakteristik.

3 Theorie des Ladungstransports.

3.1 Vorbemerkung

3.2 Kennlinien von JFET und MESFET

3.2.1 Die "gradual channel"-Näherung

3.2.2 Der Einsatz der Sättigung.

3.2.3 Sättigungsbereich.

3.2.4 Vereinfachtes Modell

3.3 Kennlinien von MISFET.

3.3.1 Normally-on-MISFET

3.3.2 Normally-off-MISFET.

3.4 Einfluß der Zuleitungswiderstände.

3.5 Numerische Lösungen der Poisson-Gleichung.

4 GaAs-MESFET.

8

4.1 Kleinsignalverhalten

4.1.1 Ersatzschaltbild

4.1.2 Steilheit gm.

4.1.3 Drainwiderstand des inneren FET rd

4.1.4 Innenwiderstand r. l

4.1.5 Source-Gate-Kapazität C sg

4.1.6 Gate-Drain-Kapazität Cgd

4.1.7 Source-Drain-Kapazität Csd

4.1.8 Sourcewiderstand Rs und Drainwiderstand Rd

4.1.9 Gatewiderstand

4.2 Rauschen .

4.2.1 Das Rausch-Ersatzschaltbildund die minimale Rauschzahl des inneren FET.

4.2.2 Drainrauschen (innerer FET).

4.2.2.1 Kanalteil I.

4.2.2.2 Kanalteil II

55

55

62

66

66

69

69

73

74

82

83

84

89

95

98

107

107

107

110

11 3

11 5

117

1 22

1 23

1 24

1 24

1 26

127

129

129

130

4.2.3 Gaterauschen (innerer FET)

4.2.3.1 Kanalteil I.

4.2.3.2 Kanalteil II

4.2.4 Korrelationskoeffizient zwischen Gate-und Drainrauschen.

4.2.5 Rauschzahl des FET mit parasitären Widerständen .

4.2.6 Minimale Rauschzahl ..

4.2.7 Empirische Beziehungen für Fmin"

4.3 Kleinsignal-FET: Stand 1982.

4.4 Leistungs-FET.

4.4.1 Kenngrößen des Leistungs-FET

4.4.2 Struktur des Leistungs-FET

4.4.3 Anpassung ..

4.4.4 Leistungs-FET: Stand 1980.

5 GaAs-Planartechnologie . . . . . . .

133

133

135

136

137

142

145

148

155

156

158

167

172

175

5.1 Herstellung von semiisolierendem Gas 176

5.2 Herstellung der aktiven Schichten. 178

5.2.1 Gasphasenepitaxie. 178

5.2.2 Ionenimplantation. 181

5.2.3 Chrom-Umverteilung 183

5.2.4 Profile von n-Typ-Dotierstoffen. 185

5.2.5 Anwendung der Ionenimplantation bei der Herstellung des FET. 186

5.3 Herstellung der Bauelementestruktur. 188

5.3.1 Schichtstrukturierung. 188

5.3.2 Kontaktherstellung 189

5.3.3 Passivierung . 191

5.3.4 Struktur und geometrische Daten eines Kleinsignal-FET. . . . . . . . . . . 192

6 Stabilität und Zuverlässigkeit von GaAs-MESFET .... 194

6.1 Materialeinflüsse ....

6.1.1 Tiefe Störstellen.

6.1.2 Burnout ....

195

195

199

9

6.2 Einfluß der Metallisierung

6.2.1 Schottky-Kontakt

6.2.2 Ohmscher Kontakt

6.3 Zuverlässigkeitsdaten.

7 Ternäre und quaternäre Halbleiter für

Hochfrequenz-FET .

204

205

207

208

212

7.1 Einfachschicht-Strukturen. 213

7.2 Mehrfachschicht-Strukturen 221

7.2.1 Übergitterstrukturen 222

7.2.2 MESFET mit zweidimensionalem Elektronengas (HEMT: high electron mobility transistor). 225

8 Ausblick: Monolithisch integrierte Schaltungen

auf GaAs . . .

8.1 Analoge Schaltungen.

8.2 Digitale Schaltungen

Anhang .

A1 Smith-Diagramm

A2 S-Parameter ..

A3 Kenngrößen von Netzwerken.

Literaturverzeichnis ..

Sachverzeichnis.

10

231

231

233

236

236

240

244

. 249

. . . . . . . . 26 7

Bezeichnungen und Symbole

A

a

b(x)

c

d

d

E

E

Fläche

Kanaldicke

Dicke einer Isolatorschicht

Kanalöffnung

Kapazität oder Korrelationskoeffizient (Abschn. 4. 2)

Source-Drain-Kapazität

Source-Gate-Kapazität

Gate-Drain-Kapazität

Isolatorkapazität

Raumladungskapazität

dielektrische Verschiebung

Diffusionskonstante für Elektronen

Drainspannungsvariable, Gl. (3.12)

Schichtdicke des Gatemetalls

elektrische Feldstärke

Sättigungsfeldstärke

Feldstärke beim Maximum der v(E)-Kurve

Energie

Fermi-Niveau

Energie-Niveau der Leitungsbandkante

11

E V

Eg

E. 1

F, F min

f

f 1 (s,p)

f 2 (s,p)

fg

fr

fc

g' m

G

MAG

h

I

-:2 1

j

12

Energie-Niveau der Valenzbandkante

Bandabstand

Fermi-Niveau eines eigenleitenden Halbleiters

Rauschzahl, minimale Rauschzahl

Frequenz

Transitfrequenz, gm/2n Csg

maximale Schwingfrequenz

Funktion nach Gl. (3.14)

Funktion nach Gl. (4.31)

Funktion nach Gl. (4.6)

Funktion nach Gl. (4.12)

Funktion nach Gl. (4.33)

Schichtleitwert nach Gl. (3.5) (Leitfähigkeit mal Kanaldicke)

Steilheit des inneren FET, Gl. (3.61)

Steilheit des äußeren FET, Gl. (3.62)

Leistungsverstärkung, Gewinn

Gewinn bei minimalem Rauschen

maximal verfügbarer Gewinn

maximaler unilateraler Gewinn

Plancksche Konstante, h = 6,626 · 10-34 Js

Strom

Drainstrom

Drainsättigungsstrom

Drainsättigungsstrom bei V = 0 g

Gatestrom

Drainsättigungsstrom bei verschwindender Raumladungszone, Gl. (3.18)

mittleres Schwankungsquadrat des Stroms (Abschn.4.2)

Stromdichte

j 1

j2

js

jpO

k

L

Ls

Ld

Lsg

Lgd

Lsd

1

LD

rno, rn*

N

NA

ND

N c

N V

+ -n/n /n

n. 1

nnO

npO

p

p

Elektronenstrom vorn n-Halbleiter zum Metall, Gl. (2.16)

Elektronenstrom vorn Metall zum n-Halbleiter, Gl.(2.17)

Sättigungsstromdichte

Sättigungsstromdichte des Löcherstrorns, Gl. (2.25)

Bol tzrnann-Konstante (k = 1, 380 · 10- 23 JK- 1 )

Gatelänge

Länge des Sourcekontakts

Länge des Drainkontakts

Abstand Source-Gate

Abstand Gate-Drain

Abstand Source-Drain

Weite der Raumladungszone

Debye-Länge (Abschn.2.5)

freie Elektronenrnasse, effektive Elektronen­masse

Netto-Dotierungskonzentration N =ND- NA

Akzeptorkonzentration

Donatorkonzentration

äquivalente Zustandsdichte an der Leitungsband­kante

äquivalente Zustandsdichte an der Valenzband­kante

Bezeichnungen für n-Halbleiter: mittel/stark/ schwach dotiert

Eigenleitungsträgerdichte

Elektronendichte bei thermischem Gleichge­wicht im n-Halbleiter

Elektronendichte bei thermischem Gleichge­wicht im p-Halbleiter

Verlustleistung

Sättigungsspannungsvariable nach Gl. (3.12)

13

Q

R

r. ].

s

T

t

u

u

V

14

Ladung, Flächenladung nach Gl. (3.3)

im Halbleiter induzierte Flächenladung (Abschn. 2. 5)

Flächenladung im Inversionskanal (Abschn. 2. 5)

Flächenladung der Raumladungszone (Abschn. 2. 5)

Flächenladung durch feste Ladungen im Isolator

Oberflächenladung, umladbar

Kanalladung

Elementarladung (q = 1, 602 · 1 o- 19 C)

Widerstand

Sourcewiderstand}

Drainwiderstand Kontakt- und Bahnwiderstand

Gatewiderstand

Schichtwiderstand (spezifischer Widerstand geteilt durch Schichtdicke)

Wärmewiderstand

Drainwiderstand des inneren FET

Innenwiderstand

Eingangsreflexionskoeffizient

Vorwärtsübertragungskoeffizient

Rückwärtsübertragungskoeffizient

Ausgangsreflexionskoeffizient

S-Parameter (s. Anhang)

Gatespannungsvariable nach Gl. (3.12)

Temperatur

Zeit

Spannung nach Gl. (3.7)

Spannung zum Ausräumen der n-Schicht, Gl. (3.8)

Variable nach Gl. (3.12)

Spannung, Potentialdifferenz

vs

vg

vd

V ss

V gg

vdd

vP

vsat

vt

V' t

VFB

vg

vd

2 2 vd, vg

V

vs

vm

w

W'

x, y,

y

z

E

Eo

n

;>,.

lJ

z

innere Sourcespannung (V s = 0, wenn Rs = 0)

innere Gate-Source-Spannung

innere Drain-Source-Spannung

äußere Sourcespannung (meist

äußere Gate-Source-Spannung vss = 0)}

Abb. (3 .14)

äußere Drain-Source-Spannung

Drainsättigungsspannung, innerer FET

Drainsättigungssp-annung, FET mit Widerständen

Schwellenspannung, Einsatzspannung, Threshold voltage, bei normally-off-FET

Abschnürspannung, pinch-off-voltage, turn-off-voltage, bei normally-on-FET

Flachbandspannung

Gatespannung, Wechselgröße

Drainspannung, Wechselgröße

mittlere Schwankungsquadrate der Spannung (Abschn. 4. 2)

Geschwindigkeit

Sättigungsgeschwindigkeit (s. Abb.2.7)

maximale Elektronengeschwindigkeit

Gatebreite (gesamt)

Gatebreite (Einzelfinger)

Ortskoordinaten

Admittanz

Impedanz

Dielektrizitätskonstante, Permittivität E = EOEr

-14 elektrische Feldkonstante, Eo = 8,854 · 10 F/cm

Wirkungsgrad

Wärmeleitfähigkeit

Beweglichkeit

15

llo p

0

T

T n

T p

qM n

q\jJ(x)

16

Beweglichkeit bei kleiner Feldstärke

spezifischer Widerstand

Leitfähigkeit

Laufzeit, Zeitkonstante

Minoritätsträgerlebensdauer für Elektronen in p-Material

Minoritätsträgerlebensdauer für Löcher in n-Material

Sättigungsparameter nach Gl. (3.21)

Diffusionsspannung, built-in-Spannung

Austrittsarbeit eines Metalls

Austrittsarbeit eines HalbJeiters

Barrierenhöhe eines Metall-n-Typ-Halbleiter­Ubergangs

Barrierenerniedrigung durch Bildkrafteffekt

Elektronenaffinität

Bandverbiegung als Funktion des Ortes q\j! (x) = E (x) -Ei

1jJ = 0 im Inneren des Halbleiters

Energiedifferenz EF- Ei

Bandverbiegung an der Halbleiteroberfläche