2.1 Aufbau und Funktion

Den von seinem Aufbau her einfachsten HFET auf der Basis einer AlxGa1-xAs/GaAs-Heterostruktur [37] zeigt Abbildung 2.1. Dieser konventionelle (single heterojunction) HFET wird heute kaum noch hergestellt. Die Beschreibung seines Aufbaus dient als Grundlage zur Verdeutlichung der Funktionsweise eines HFET und seiner Weiterentwicklung.

Abbildung 2.1: Prinzipieller Aufbau eines konventionellen HFETs.

Den Träger jedes mikroelektronischen Halbleiterbauelements bildet das sogenannte Substrat. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Scheibe von 3 oder 4 Zoll Durchmesser (Wafer) aus semiisolierendem GaAs. Auf dieses Substrat wird als Basis des eigentlichen Bauelements eine relativ dicke Schicht aus meist leicht p-dotiertem GaAs - der Buffer - epitaktisch aufgewachsen (dB 1 mm). Dabei wird zur Homogenisierung der Grenzflächen zwischen Buffer und Substrat meist noch ein Übergitter aus AlxGa1-xAs und GaAs-Schichten zwischengeschaltet. Auf dem Buffer wird eine Schicht AlxGa1-xAs aufgebracht, wobei die ersten Monolagen undotiert bleiben, der Rest jedoch mit Si dotiert wird. Si-Atome bilden in einer AlxGa1-xAs-Umgebung einen Donator mit einer sehr geringen Aktivierungsenergie
(DED 5 meV), der die Ladungsträger liefert, die zum Stromfluß beitragen. An der Grenzfläche zwischen GaAs und AlxGa1-xAs kommt es zum Bandkantensprung, in dessen Bereich sich das Q2DEG bildet (s.a. Abb. 1.1). Die dotierte AlxGa1-xAs-Schicht wird daher auch als Supply (dS 40 nm) bezeichnet. Die undotierte Schicht - der Spacer (dSp 2 nm) - hat die Aufgabe, die Dotierstoffatome (Dopanden) von dem Bereich, der den Hauptanteil des Stromflusses aufnehmen soll (Q2DEG), räumlich zu trennen, um die Streuung der freien Ladungsträger an den Dopanden zu minimieren.

Die Gateelektrode (G) ist direkt mit dem Supply verbunden. Das Gatemetall bildet in Verbindung mit dem dotierten Halbleiter einen SCHOTTKY-Kontakt. Der SCHOTTKY-Kontakt besitzt Diodeneigenschaften und das Gate erfüllt seine Aufgabe als Steuerelektrode allein über die Variation des elektrischen Feldes unter dem Kontakt [31]. In diesem Bereich entsteht bei kleinen (negativen) Gatespannungen eine Verarmungszone (Depletions-Zone). Die effektive Dicke der Supplyschicht unter dem Gate, bzw. der Gate-Kanal Abstand (d), ist ein wichtiger Parameter, der die Eigenschaften des HFET wesentlich beeinflußt, ebenso wie die Gatelänge (LG), d.h. die Abmessung des Gatekontakts parallel zur Richtung des Stromflußes (x-Richtung). Die Entwicklung von HFETs für Anwendungsbereiche mit immer höheren Frequenzen ist nur bei einer parallelen Verringerung der Gatelänge möglich. Erst vor wenigen Jahren ist der Vorstoß in den sub-m-Bereich (LG < 1 m) gelungen [32, 51, 68, 103, 143] und heute sind Gatelängen unter 100 nm zumindest im Forschungslabor bereits realisiert worden [29, 59, 90, 91, 131]. Hier stößt man jedoch immer wieder auf technologische Grenzen, die eine Weiter- oder Neuentwicklung der Herstellungsprozesse erfordern. Das Verhältnis von Gatelänge und Gate-Kanal Abstand, die sogenannte aspect ratio a = LG / d, wird häufig als ein Parameter zur Charakterisierung eines HFET verwendet [131]. Die Eigenschaften eines HFET werden positiv beeinflußt, wenn die aspect ratio - trotz Verminderung der Gatelänge - möglichst groß ist. Das bedeutet, daß eine geringe Supplyschichtdicke anzustreben ist. Dies führt im wesentlichen zu einer effizienteren Ladungsträgermodulation. Die Gateweite (WG), d.h. die Abmessung des Gates in z-Richtung, ist ein Multiplikationsfaktor, der die meisten elektrischen Größen des Bauelements bestimmt. Um HFETs unterschiedlicher Gateweite aber sonst gleicher Bauart direkt miteinander vergleichen zu können, werden daher viele Größen auf die Gateweite normiert. So wird im folgenden häufig nur die Rede vom Drainstrom sein, auch wenn es sich bei genauerer Betrachtung um einen auf die Gateweite normierten Strom in Einheiten von A/m handelt.

Abbildung 2.2: Verlauf der Leitungsbandkante und Wellenfunktionen eines konventionellen HFET. Gatespannung: VG = 0 V [48].

Zur Kontaktierung der Source- (S) und Drainelektroden (D) wird zu beiden Seiten des Gates eine hochdotierte Schicht GaAs - das Cap - aufgebracht (dCap 50 - 100 nm). Einlegieren des Kontaktmetalls bewirkt eine Verringerung der Source- und Drainwiderstände, was sich positiv auf die Eigenschaften, besonders auf die Drainstromcharakteristik und die erreichbaren Grenzfrequenzen auswirkt. Die hohe Dotierung des Cap führt in Verbindung mit dem Kontaktmetall zu einer weiteren Verringerung der Kontaktwiderstände [61].

Abbildung 2.2 zeigt den Verlauf der Leitungsbandkante unter dem Gate. Aufgrund des SCHOTTKY-Effektes steigt die Leitungsbandkante stark an. Die SCHOTTKY-Barrierenspannung beträgt hier VB = 0.9 V. Im Bereich des Heteroübergangs bei y = 34 nm kommt es zur Ausbildung quantisierter Energieniveaus. Die zu den ersten drei Energieniveaus (E0, E1, E2) gehörenden Wellenfunktionen (0, 1, 2) reichen alle etwas in die dotierte AlxGa1-xAs-Schicht hinein - ein Resultat der endlichen Potentialbarriere des Heteroübergangs. Damit kann es durchaus zu einer Streuung der Elektronen des Q2DEG an den Dotierstoffatomen kommen. Außerdem wird eine Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration im Bereich des dotierten Materials im Minimum der Leitungsbandkante begünstigt (Abb. 2.3).

Abbildung 2.3: Veränderung der Ladungsträgerdichte unter dem Gate bei Variation der Gatespannung [48].

Dies führt zu einer Verschlechterung des sogenannten Ladungskontrollverhaltens [57] und damit zu einer Sättigung in der Drainstromcharakteristik. Gegebenenfalls kann sich auch ein zusätzlicher Ladungsträgerkanal in der dotierten AlxGa1-xAs-Schicht ausbilden. Dieser Effekt wird paralleler oder parasitärer FET-Effekt genannt [49, 82].

Weiterhin reichen die Wellenfunktionen auch beachtlich weit in den GaAs-Buffer hinein (Abb. 2.2). Dies führt zu einer Stromkomponente, die sich auch bei sehr niedrigen (negativen) Gatespannungen bei diesen Bauelementen nicht vollständig eliminieren läßt. Das vorrangige Ziel der Bauelemententwicklung ist es nun, eben jene negativen Aspekte des konventionellen HFET weitestgehend auszuschalten, d.h. man versucht - neben der fortschreitenden Miniaturisierung des Bauelements - die Ladungsträger effizienter in den Kanal des Q2DEG einzuschließen.

In dieser Hinsicht stellt der double heterojunction HFET (DH-HFET) eine echte Weiterentwicklung dar, der als Kanal für das Q2DEG eine InyGa1-yAs-Schicht besitzt
(Abb. 2.4) [67, 68, 79, 81, 90, 91, 93, 109].

Abbildung 2.4: Prinzipieller Aufbau eines DH-HFET.

Da InyGa1-yAs einen geringeren Bandabstand besitzt als GaAs und AlxGa1-xAs, kommt es zur Ausbildung eines rechteckförmigen Potentialtopfs mit zwei Potentialbarrieren, die das Q2DEG wesentlich effizienter einschließen. Dies wird durch die Wellenfunktionen verdeutlicht, die hier sehr stark im Bereich des Potentialtopfes lokalisiert sind (Abb. 2.5). Die Tatsache, daß die zum dritten Energieniveau gehörende Wellenfunktion auch hier sehr weit in den Buffer hineinreicht, ist aufgrund der zu vernachlässigenden Besetzung eher nebensächlich.

Bei sonst gleichen Parametern (Gate-Kanal Abstand d = 34 nm, Spacerdicke dSp = 2 nm, Dotierung des Supply ND = 1.5×1018 cm-3) trägt im Gegensatz zum konventionellen HFET das unterste Energieniveau beim DH-HFET 90% der Ladungsträgerkonzentration des Q2DEG, das zweite Energieniveau 9%, das dritte Energieniveau nur noch 0.2% und steuert damit kaum noch zum Stromtransport bei. Die Gesamtdichte des Q2DEG beträgt bei diesem DH-HFET ns = 8.5×1011 cm-2 (VG = 0 V) und ist damit wesentlich höher als beim konventionellen HFET bei gleicher Gatespannung.

Abbildung 2.5: Verlauf der Leitungsbandkante und der Wellenfunktionen eines DH-HFET. Gatespannung: VG = 0 V [48].

Zusammengefaßt besitzt der DH-HFET gegenüber dem konventionellen HFET aufgrund seiner Bandstruktur eine Reihe von Vorteilen:

• Der Bandabstand des InyGa1-yAs ist geringer als der Bandabstand von AlxGa1-xAs und GaAs. Daher wird der Potentialtopf des DH-HFET von zwei Heterobarrieren begrenzt und ist zudem energetisch tiefer als beim konventionellen HFET. Dies führt zu einem wesentlich verbesserten Einschluß (confinement) der Ladungsträger und damit zur Verringerung der Streuung an den Dopanden, sowie zur Verringerung von Leckströmen und parallelem FET-Effekt.
• Bei einem In-Gehalt von 20% kann der InyGa1-yAs-Kanal bis zu einer Schichtdicke von
  dCh = 12 nm problemlos ohne Gitterstörungen hergestellt werden. Die Breite des Kanals in Verbindung mit einer erhöhten Zustandsdichte aufgrund der energetisch tieferen Lage der quantisierten Energieniveaus führt zu höheren Ladungsträgerkonzenztrationen im Q2DEG als im flachen, dreiecksförmigen Potentialtopf des konventionellen HFET.
• Bei günstiger Auslegung der Schichtdicken sind die Ladungsträger über einen weiten Bereich der Gatespannung in der Mitte des Potentialtopfes konzentriert. Dies ist nicht nur positiv im Hinblick auf die Streuung an den Dopanden (impurity scattering), sondern reduziert auch die Streuung an den Grenzflächen (surface scattering) und wirkt sich daher sehr günstig auf die Beweglichkeit der Ladungsträger aus.
• InyGa1-yAs besitzt eine höhere Beweglichkeit als AlxGa1-xAs und GaAs.

Die genannten Vorteile bedeuten, daß der DH-HFET nicht mehr nur als rauscharmer Verstärker [101], sondern auch als Leistungsverstärker konzipiert werden kann.

Inzwischen haben sich weitere Neuentwicklungen durchgesetzt, die den einfachen DH-HFET als kommerzielles Bauelement bereits wieder ablösen können:

• Backside-Doped DH-HFET:
  Eine zusätzliche dotierte AlxGa1-xAs-Schicht auf der Rückseite des Kanals (AlxGa1-xAs-Buffer) wird eingeführt [118]. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration im Kanal. Nachteile können jedoch durch eine erhöhte Konzentration von tiefen Störstellen, wie sie in dotiertem AlxGa1-xAs auftreten, entstehen.
• Delta-doped HFET (-HFET):
  Die AlxGa1-xAs-Schicht zwischen Gate und Kanal bleibt bis auf eine sehr schmale (1-2 Monolagen), extrem hochdotierte (ND 4.51012 cm-2) Schicht (d-Dotierung), undotiert [33, 45, 66, 87, 111, 130, 134]. Dies erlaubt eine Verringerung des effektiven Abstandes zwischen Gate und Kanal bei gleichzeitiger Erhöhung der SCHOTTKY-Barriere.
• Um die Ladungsträgerkonzentration des Q2DEG weiter zu erhöhen werden auch HFETs untersucht, die auf beiden Seiten den Kanals d-dotiert werden [118] oder deren Kanal selbst eine d-Dotierung erhält [134]. Letzteres führt allerdings zu einer Verstärkung der Ladungsträgerstreuung mit den Dopanden und beeinflußt die Beweglichkeit der Ladungsträger im Kanal negativ.
• Weitere Möglichkeiten ergeben sich bei der Herstellung von Bauelementen mit mehreren Q2DEG-Kanälen. Hier spricht man von dual-channel [75] oder auch multi-channel HFETs bis hin zu multi-quantum-well (MQW) Strukturen [36,50], die gewissermaßen ein Superlattice aus sehr schmalen Potentialtöpfen besitzen. Das Ziel ist auch hier die Erhöhung der Ladungsträgerkonzentrationen im Q2DEG. Nachteilig bei MQW Strukturen wirkt sich allerdings eine erhöhte Stoßionisation aus.

Diese Liste entspricht den wichtigsten Neuentwicklungen für HFETS aus dem großen Repertoire der Variationsmöglichkeiten. Auch neue Materialien werden in zunehmendem Maße eingesetzt:

• HFETs auf der Basis von InAlAs auf InP-Substraten zeichnen sich durch sehr hohe Elektronenbeweglichkeiten und Ladungsträgerkonzentrationen im Q2DEG aus. Sie werden bereits mit Erfolg in analogen und digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen eingesetzt [7, 94, 95].
• Mit Kombinationen von AlSb und InAs, bzw. der ternären Verbindungen AlSbAs auf InAs lassen sich sehr tiefe Potentialtöpfe erzeugen und damit die Elektronenkonzentration im Q2DEG weiter erhöhen. Sehr hohe Stromdichte für Leistungsbauelemente werden so möglich [83, 138].

Weitere Materialien, vielfach auf InP-Basis sind derzeit Gegenstand intensiver Untersuchungen [6, 7, 80, 83, 94, 95, 127, 132, 138] und auch der Weiterentwicklung des AlGaAs/InGaAs/GaAs DH-HFET bzw. seiner Nachfolger, sind noch keine Grenzen gesetzt.