專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，更具體地涉及工作在高頻區(qū)域的晶體管器件。
背景技術(shù)：
已提出幾種用作熱電子晶體管(HET)的半導(dǎo)體器件，其中利用了高能電子(熱電子)。由Yokoyama等人在文件1(Japan.J.Appl.Phys.Lett.vol.24，no.11，P.L 853，1985(1985年日本應(yīng)用物理快訊第24卷，第11號(hào)，第853頁))中提出的諧振隧穿熱電子晶體管(RHET)就是這些現(xiàn)有技術(shù)的第一個(gè)實(shí)例。諧振隧穿熱電子晶體管包括位于HET發(fā)射極區(qū)域中的諧振隧穿結(jié)構(gòu)。圖9(a)顯示了在文件1中公開的該器件的結(jié)構(gòu)，和圖(b)到圖(d)顯示了它的工作原理。
文件1公布了在77K該器件的工作。它的工作情況如下所述。當(dāng)圖9(a)所示的基極和發(fā)射極具有等電勢(shì)時(shí)，發(fā)射極中電子的能量比量子阱中的量子能級(jí)(E1)要低。該量子阱位于圖9(b)中所示的發(fā)射極和基極之間。正因?yàn)槿绱耍娏鳑]有流過發(fā)射極。當(dāng)電流施加穿過基極和發(fā)射極時(shí)，發(fā)射極的電子能量同量子阱的量子能級(jí)相匹配，如圖9(c)所示，由此而引起諧振隧穿。更具體些，發(fā)射極中的電子能量以一定分布擴(kuò)張，只有那些具有與量子能級(jí)相同的能級(jí)的電子穿過諧振隧穿發(fā)射到基極層。因?yàn)楸话l(fā)射的電子具有高能量，它們很快地穿過基極層而很少發(fā)生散射，跨越基極層和集電極勢(shì)壘層之間的能量勢(shì)壘(qΦc)，并注入到集電極勢(shì)壘層中。這些電子還通過集電極勢(shì)壘層而很少發(fā)生散射，并且最終到達(dá)集電極層。在上面所描述的整個(gè)過程中，可以期望該器件比受到散射和擴(kuò)散影響的普通晶體管的工作速度要高，因?yàn)殡娮拥膭?dòng)量幾乎不受散射的影響。
第二個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)例是由Sugiyama等人在文件2(日本未審查專利出版物，第1997-326506號(hào))中公開的一種器件。這種器件包括多層微粒(量子點(diǎn))而不是文件1中公開的諧振隧穿。圖10顯示了文件2所公開的微粒層(a)的結(jié)構(gòu)，和HET器件(b)的結(jié)構(gòu)。如圖10(a)所示，這種現(xiàn)有技術(shù)的器件包括HET發(fā)射極區(qū)域3中的連續(xù)沉積的GaAs隔層3a，和通過互相擴(kuò)散在每個(gè)隔層3a中形成的許多微粒(量子點(diǎn))3b。這種結(jié)構(gòu)使每層中的量子點(diǎn)3b在垂直方向上對(duì)齊，從而形成一個(gè)實(shí)際上的單一量子點(diǎn)。因此，該器件可以作為載流子濾波器(carrier filter)工作，顯示出銳(sharp)諧振隧穿特性和窄的能譜。
以上文件所公開的器件存在下面的問題。對(duì)于文件1所公開的器件，其工作溫度有限，器件的增益很小，且工作速度不如預(yù)計(jì)的快。比如，文件1所報(bào)告的是在77K時(shí)的工作；然而，對(duì)室溫下的工作情況和工作速度卻并未公開。公開了在室溫下工作的同類型RHET器件，其增益比普通晶體管的增益要低，而且它的工作速度也不是很高。
對(duì)比來說，文件2中公開的器件中的多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)。也就是說，為了獲得圖10(b)中的結(jié)構(gòu)，微粒和埋層(buriedlayer)要在基層上不斷地交替生長，并且必須控制它們使得所有層中的微粒在位置上相同，以及微粒的形狀一致。如果在制造過程中，上層微粒的形成位置和下層微粒的位置不一致，就不能獲得圖10(b)所示的結(jié)構(gòu)。如上所述，因?yàn)樾枰冗M(jìn)的制造技術(shù)來獲得微粒的三維布置，其中大量微粒垂直對(duì)齊且這些微粒的尺寸相等，所以實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)非常困難。
本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，并提出一種易于制造并在高速下工作的半導(dǎo)體器件及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件解決上述問題，它包括一個(gè)基板，在基板上形成的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)包括III-V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)射極層、基極層和集電極層，其中，該基極層位于發(fā)射極層和集電極層之間；位于發(fā)射極層和基極層之間的量子點(diǎn)勢(shì)壘層；分別連接到集電極層、基極層和發(fā)射極層的集電極電極、基極電極和發(fā)射極電極；其中，量子點(diǎn)勢(shì)壘層包括多個(gè)量子點(diǎn)和第一和第二勢(shì)壘層，第一和第二勢(shì)壘層分別從發(fā)射極層一側(cè)和基極層一側(cè)夾著量子點(diǎn)，并且第一和第二勢(shì)壘層由能帶隙比構(gòu)成量子點(diǎn)的半導(dǎo)體的能帶隙要大的半導(dǎo)體構(gòu)成；每個(gè)量子點(diǎn)具有凸向基極層的凸出部分；和在第二勢(shì)壘層中基極層一側(cè)的界面，在基極層中集電極層一側(cè)的界面和在基極層中發(fā)射極層一側(cè)的界面，每個(gè)界面具有凸向集電極層的彎曲部分，與量子點(diǎn)的凸出部分相對(duì)應(yīng)。
提供制造本發(fā)明中的半導(dǎo)體器件的方法以解決上述的問題，其包括的步驟有在基板上形成由III-V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)射極層的發(fā)射極層形成步驟；在發(fā)射極層上形成第一勢(shì)壘層的步驟；在第一勢(shì)壘層上形成多個(gè)量子點(diǎn)的量子點(diǎn)形成步驟，每個(gè)量子點(diǎn)具有一個(gè)在量子點(diǎn)的上表面向上凸出取向的凸出部分；在量子點(diǎn)上方形成第二勢(shì)壘層的勢(shì)壘層形成步驟，該第二勢(shì)壘層覆蓋量子點(diǎn)并在第二勢(shì)壘層的上表面上具有向上凸出取向的彎曲部分，以對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)凸出部分的形狀；在第二勢(shì)壘層上面形成由III-V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成的基極層的基極層形成步驟，該基極層在基極層的上表面上具有向上凸出取向的彎曲部分，以對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)凸出部分的形狀；在基極層上面形成由III-V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成的集電極層的集電極層形成步驟；和形成分別連接到發(fā)射極層、基極層和集電極層的發(fā)射極電極、基極電極和集電極電極的電極形成步驟。
本發(fā)明有關(guān)的文件清單文件1Japan.J.Appl.Phys.Lett.vol.24，no.11，p.L853，1985(1985年日本應(yīng)用物理快訊第24卷，第11號(hào)，第853頁)(參見背景技術(shù))文件2日本未審查專利出版物，第1997-326506號(hào)(參見背景技術(shù))文件3日本未審查專利出版物，第2002-184970號(hào)(更具體地，見圖5)文件4日本未審查專利出版物，第1997-82900號(hào)(關(guān)于在基極層中形成球形量子點(diǎn))文件5日本未審查專利出版物，第1994-20958號(hào)


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是顯示量子點(diǎn)勢(shì)壘層附近區(qū)域的橫截面圖。
圖3顯示了第一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)射電子的能量分布。
圖4用其量子點(diǎn)附近區(qū)域的橫截面圖顯示具有平面層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的實(shí)施例。
圖5用其量子點(diǎn)附近區(qū)域的橫截面圖顯示了其頂面為平面的分層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的實(shí)施例。
圖6顯示了圖1中所示的半導(dǎo)體器件的發(fā)射電子的能量分布。
圖7用量子點(diǎn)勢(shì)壘層附近區(qū)域的橫截面圖顯示了圖1的半導(dǎo)體器件的另一個(gè)實(shí)施例。
圖8是圖1中所示的半導(dǎo)體器件的另一實(shí)施例的橫截面圖。
圖9顯示了第一現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)并示意性地顯示了其操作。
圖10是根據(jù)第二現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)圖。
附圖標(biāo)記清單101基板107集電極層102發(fā)射極層108集電極接觸層103量子電勢(shì)壘層110集電極電極103a第一勢(shì)壘層 111基極電極103b潤濕層(wetting layer) 112發(fā)射極電極103c量子點(diǎn) 113高阻抗區(qū)域103d第二勢(shì)壘層 d1第二勢(shì)壘層和間隔層之間的界面104間隔層 d2間隔層和基極層之間的界面105基極層 d3基極層和集電極層之間的界面106集電極勢(shì)壘層具體實(shí)施方式
參考附圖，下邊將對(duì)本發(fā)明中的半導(dǎo)體器件的具體實(shí)施方式
進(jìn)行解釋。圖1是顯示本實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件示意性結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
如圖1所示，該半導(dǎo)體器件由III-V族復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成，其中，由n型InGaAs構(gòu)成的發(fā)射極層102在由半絕緣材料InP構(gòu)成的基板101上形成。在發(fā)射極層102上，由未摻雜的AlAs構(gòu)成的量子點(diǎn)勢(shì)壘層103、由未摻雜的InGaAs構(gòu)成的間隔層104，和由n型InGaAs構(gòu)成的基極層105依此順序成層，其中，在量子點(diǎn)勢(shì)壘層103中放置有后面說明的量子點(diǎn)。量子點(diǎn)勢(shì)壘層103、間隔層104，和基極層105在寬度上(圖中的橫向方向)比發(fā)射極層102更窄，因此發(fā)射極層102頂部的一部分被暴露出來。發(fā)射極電極112在這暴露部分上形成。間隔層104由一種半導(dǎo)體構(gòu)成，該半導(dǎo)體除沒有被有意加入雜質(zhì)外，其化學(xué)成分同基極層105相同。
在基極層105的頂部，由未摻雜的InP構(gòu)成的集電極勢(shì)壘層106、由n型InGaAs構(gòu)成的集電極層107、由高濃度的n型InGaAs構(gòu)成的集電極接觸層108，和集電極電極110依此順序形成，它們的寬度都比基極層105要窄?；鶚O層105的頂部在集電極勢(shì)壘層106的兩邊暴露出來，以及基極電極111在兩個(gè)暴露部分的每個(gè)之上形成。高阻抗區(qū)域113在兩個(gè)基極電極111的每個(gè)下面，即從基極層105的底部到發(fā)射極層102的頂部形成。
下面解釋半導(dǎo)體各層的優(yōu)選厚度。量子點(diǎn)勢(shì)壘層103的厚度優(yōu)選地不小于1.5nm且不大于10nm，但不小于1.5nm且不大于5nm之間更好。當(dāng)量子點(diǎn)勢(shì)壘層103的厚度不少于1.5nm時(shí)，該層會(huì)有效地用作下述相對(duì)量子點(diǎn)的勢(shì)壘，并且如果當(dāng)其不超過10nm時(shí)，晶格弛豫將會(huì)被抑制。更具體地，如果當(dāng)量子點(diǎn)勢(shì)壘層103不超過5nm時(shí)，甚至可以在InP基板101上形成高質(zhì)量的薄膜。從此角度出發(fā)，在該實(shí)施方式中，量子點(diǎn)勢(shì)壘層103的厚度大約是4nm。在該實(shí)施方式中，其它各半導(dǎo)體層的厚度是間隔層104大約為2nm，基極層105大約為10nm，集電極勢(shì)壘層106大約為100nm。
在該實(shí)施方式中所使用的InGaAs的化學(xué)成分比例是In(x)Ga(1-x)As:In的含量x＝0.53，其基本上與InP的晶格匹配。In的含量優(yōu)選地在0.5≤x≤0.7范圍內(nèi)。這會(huì)使InP基板101上能進(jìn)行外延生長，并抑制散射。為易于預(yù)想化學(xué)成分的量值(化學(xué)成分的比例)，在本說明書中有時(shí)用In(x)Ga(1-x)As來表示InxGa1-xAs。
下面對(duì)量子點(diǎn)勢(shì)壘層103進(jìn)行解釋。圖2是顯示該勢(shì)壘層附近區(qū)域的擴(kuò)展的橫截面圖。如圖所示，量子點(diǎn)勢(shì)壘層103由形成于發(fā)射極層102上的第一勢(shì)壘層103a、潤濕層(wetting layer)103b、多個(gè)量子點(diǎn)103c，和第二勢(shì)壘層103d構(gòu)成，其中，潤濕層103b和量子點(diǎn)103c被第二勢(shì)壘層103d和第一勢(shì)壘層103a從下側(cè)到上側(cè)夾在中間。潤濕層103b由大約一個(gè)分子厚度的薄層InAs構(gòu)成，并且多個(gè)錐形的量子點(diǎn)103c具有向上的凸出取向，即，面對(duì)著基極層105一側(cè)具有凸出形狀的頂部，且量子點(diǎn)103c在潤濕層103b上形成。
每個(gè)量子點(diǎn)103c由未摻雜的InAs微粒構(gòu)成，并分布在與發(fā)射極層102平行的一層上，也就是潤濕層103b。量子點(diǎn)103c的尺寸優(yōu)選的是底表面的寬度方向上的長度不少于2nm且不大于30nm，高度不少于2nm也不大于10nm。例如，可以使在最寬的方向上的長度大約10nm，并且高度大約5nm。形成這樣尺寸的量子點(diǎn)103c是優(yōu)選的，因?yàn)檫@樣做能發(fā)射以高速發(fā)送的電子并改善了形成量子點(diǎn)時(shí)的再造能力。而且，量子點(diǎn)103c的表面(in-plane)密度優(yōu)選地在1010/cm2到1012/cm2的范圍內(nèi)，例如，可以大約為5×1011/cm2。這使獲得足夠的器件電流并保持量子點(diǎn)間足夠間距成為可能，由此能在橫向方向上俘獲量子點(diǎn)。
因?yàn)槿缟纤隽孔狱c(diǎn)103c形成了錐形，其面對(duì)向上方向具有凸出形狀的上部，因而對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)103c的突出部分的向上方向中突出的彎曲部分在形成于量子點(diǎn)103c之上的第二勢(shì)壘層103d、間隔層104和基極層105的平面部分中形成。更具體些，第二勢(shì)壘層103d和間隔層104之間的界面d1，間隔層104和基極層105之間的界面d2，基極層105和集電極勢(shì)壘層106之間的界面d3，它們每一個(gè)都有面向集電極層107的彎曲部分，以對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)103c的形狀。在此，優(yōu)選的是界面的彎曲部分使得從第二勢(shì)壘層103d(界面d1)頂部的平面部分d11到彎曲部分d12的尖端的距離h1，以及從基極層105(界面d3)頂部的平面部分d31到彎曲部分d32的尖端的距離h2，滿足如下的公式(1)1/5≤h2/h1≤1 (1)這樣就可以獲得下述的效果，以防止擴(kuò)散和/或電子延遲。
用于本實(shí)施方式的制造半導(dǎo)體器件的方法的一種實(shí)施例在下面說明。由半絕緣InP構(gòu)成的基板101在分子束外延生長(MBE)室中加熱以清潔其表面。由加入硅Si的n型InGaAs構(gòu)成的發(fā)射極層102通過將這個(gè)表面在620℃的基板溫度下用In、Ga，As和Si的分子束照射來生長。
接下來，由未摻雜的AlAs層構(gòu)成的第一勢(shì)壘層103a通過用Al和As的分子束照射而生長，然后外延生長停止。隨后，AlAs的晶格常數(shù)是5.661，這比InP基板101和發(fā)射極層102中的InGaAs的晶格常數(shù)5.869少了3.5％?？梢詢H僅通過使第一勢(shì)壘層103a的厚度小于臨界水平來解決晶格常數(shù)上的不同。這樣抑制了晶格弛豫，由此，橫向方向中的勢(shì)壘層103a的晶格常數(shù)同基板101的晶格常數(shù)基本上相同。
然后，將基板溫度變到530℃，并用In和As的分子束進(jìn)行照射。因?yàn)檫M(jìn)行InAs生長時(shí)的基板溫度在450℃到550℃范圍內(nèi)，所以將其溫度設(shè)置在此范圍對(duì)獲得高質(zhì)量的量子點(diǎn)103c是優(yōu)選的。因?yàn)镮nAs的晶格常數(shù)是6.058，它比InP基板101的晶格常數(shù)要大3.2％，所以InAs的生長會(huì)由于晶格畸變而受到壓力。在上面特定的溫度范圍內(nèi)，這就變成所謂的斯特蘭斯基-克拉斯塔諾夫(S-K)增長模式，并且形成一致的量子點(diǎn)103c。確切些說，在第一勢(shì)壘層103a的整個(gè)表面上增長了大約1個(gè)分子厚度的第一層作為潤濕層103b后，由幾乎相同尺寸的錐形的InAs構(gòu)成的量子點(diǎn)103c形成。因?yàn)闈櫇駥?03b很薄且有較大的能帶隙，所以量子點(diǎn)103c以與分散的量子點(diǎn)幾乎相同的方式起作用。
由未摻雜的AlAs構(gòu)成的第二勢(shì)壘層103d通過用Al和As的分子束照射而生長。這樣會(huì)形成一種如圖2所示的結(jié)構(gòu)，其中，單層量子點(diǎn)103c在未摻雜的AlAs構(gòu)成的層103中俘獲。第二勢(shì)壘層103d的頂部不是平的，沿著錐形彎曲的彎曲部分d12在對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)103c的部分中形成。
接下來，間隔層104和基極層105外延生長。這里，在量子點(diǎn)103c上方，間隔層104和基極層105也成為體現(xiàn)錐形的彎曲形狀d22和d32。然后集電極勢(shì)壘層106、集電極勢(shì)壘層107和集電極接觸層108外延生長。
之后，在其上生長出半導(dǎo)體層102到108的基板從MBE移除并制成一定樣式。換句話說，將由成層的半導(dǎo)體層的一部分去掉，并形成臺(tái)面來將發(fā)射極層102和基極層105的一部分暴露出來。在基極層105暴露區(qū)域的下面進(jìn)行離子植入，以形成高阻抗區(qū)域113。隨后，在集電極接觸層108上形成集電極電極110，并在基極層105和發(fā)射極層102的暴露部分上分別形成基極電極111和發(fā)射極電極112，這樣便完成了該器件。在上面的離子植入步驟中，高阻抗區(qū)域可以通過例如將在200到800kV下加速的Fe+離子植入并在600到850℃下對(duì)其進(jìn)行熱處理來形成。
具有這樣結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件會(huì)獲得后面以下效果。為了解釋本發(fā)明的工作，下面要闡明導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的問題的原因。
在第一現(xiàn)有技術(shù)中(文件1)，如上所述，工作溫度是受限的，器件增益較低，并且工作速度也不如預(yù)期的高。這些問題中的一個(gè)主要原因是從發(fā)射極發(fā)射的電子的能量分布。在RHET器件中，對(duì)發(fā)射極和基極之間的諧振隧穿的一個(gè)要求是電子能量的z方向分量(這里，將垂直于量子阱層的方向定義為z方向)與量子阱層的量子能級(jí)(E1)基本上匹配。換句話說，已穿過量子阱層的電子能量在z方向上的分量幾乎相等，即E1；然而，對(duì)x和y方向上的能量沒有限制。結(jié)果，電子的總能量(在x，y和z分量的和)顯示出與橫跨發(fā)射極和基極的熱能和電壓相對(duì)應(yīng)的分布。因?yàn)?，低溫時(shí)，能量分布范圍較小，所以x和y方向上的能量相同；然而，隨著溫度的升高，這兩個(gè)方向上的分布擴(kuò)張。
圖3顯示了第一現(xiàn)有技術(shù)的RHET器件中，在室溫時(shí)，從量子阱層發(fā)射到基極層的電子的能量分布403。
優(yōu)選的是提高電子的速度和能量，使從發(fā)射極區(qū)域發(fā)射的電子到達(dá)集電極區(qū)域而不發(fā)生晶格散射。電子的平均自由路程(散射生命期(scattering life)和電子速度的乘積)必須要同器件中電子的傳播距離相等或大于該距離。然而，如果電子的能量太高的話，半導(dǎo)體能帶里的谷際轉(zhuǎn)換(Γ-T谷際轉(zhuǎn)換)會(huì)引起散射，由此顯著地降低了電子的速度，這是因?yàn)殡娮訉⒁苿?dòng)到L谷，L谷會(huì)顯示出大的有效質(zhì)量和低的速度。
在圖3中，這種關(guān)系得到了簡化，圖中顯示了低能量區(qū)域(左面陰影區(qū)域)401和高能量區(qū)域(右面陰影區(qū)域)402。低能量區(qū)域401指示了一個(gè)區(qū)域，其中電子的速度較低并且平均自由路徑比電子的傳播距離短，而高能量區(qū)域402指示了一個(gè)區(qū)域，其中因?yàn)楣入H轉(zhuǎn)換而經(jīng)受了散射。區(qū)域的特性由器件的結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體材料決定；然而，這里會(huì)解釋相對(duì)于RHET器件，使用第一個(gè)已有技術(shù)的InGaAs/InP的估計(jì)結(jié)果。
因?yàn)閺牧孔于灏l(fā)射的電子能量分布403如上所述，有些電子分布在高能量區(qū)域402。當(dāng)量子能級(jí)的能量下降以阻止這樣的分布時(shí)，電子的分布是在低能量區(qū)域401中擴(kuò)散，這會(huì)導(dǎo)致電子相互碰撞和/或散射，其將使得不可能得到彈道傳導(dǎo)(ballistic conduction)。即便控制發(fā)射極的量子能級(jí)或發(fā)射極的電勢(shì)，能高速通過基極和集電極的電子比例也就在大約40％。當(dāng)橫跨基極和發(fā)射極的電壓在高頻工作期間被調(diào)制時(shí)，發(fā)射的電子的數(shù)量變化，但由于電子能量分布的擴(kuò)散導(dǎo)致這種變化較慢。這里，量子能級(jí)的變化導(dǎo)致了電子能量分布形狀改變，和該分布的峰值點(diǎn)也變化。量子能級(jí)的變化是由基極和發(fā)射極之間電壓的變化造成的。結(jié)果，使被發(fā)射電子的能量峰值保持在下面這個(gè)區(qū)域會(huì)很困難，在區(qū)域中，電子可以在整個(gè)操作中以高速傳輸，而且降低高速傳播的電子的比例。
當(dāng)?shù)退匐娮拥谋壤啾雀咚匐娮酉鄬?duì)大時(shí)，該器件的響應(yīng)反映了低速電子的延遲。當(dāng)由于低速電子而開始散射時(shí)，晶格溫度升高，進(jìn)一步提高電子散射的可能性。發(fā)生散射的電子不但有延遲，而且還會(huì)失去能量，因此部分電子不能通過集電極勢(shì)壘層。于是，基極電流增大，且電流增益降低。
如上所述，在第一個(gè)已有技術(shù)中，因?yàn)槭覝貢r(shí)從發(fā)射極發(fā)出的電子的速度分布很廣，所以很難在一個(gè)寬的溫度范圍上獲得具有增益和高頻特性的工作。
第二個(gè)已有技術(shù)(文件2)中，公開的器件表現(xiàn)出銳諧振隧道特性，這是因?yàn)樗嗽S多有量子點(diǎn)的層，且此器件用作有尖銳能量譜的載流子濾波器。然而，如上所述，因?yàn)榈诙N已有技術(shù)的多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，所以實(shí)際上很難制造這種器件。
在大致相同位置中形成生長的多層量子點(diǎn)是困難的；然而，如果能用單層量子點(diǎn)達(dá)到同樣的效果，器件的制造就變的容易了。雖然如此，在HET中的電子發(fā)射區(qū)域中的單層量子點(diǎn)導(dǎo)致如下其他問題。下面會(huì)參考圖4對(duì)這些問題進(jìn)行詳細(xì)的解釋。
圖4顯示了器件的平面層結(jié)構(gòu)，其中，量子點(diǎn)勢(shì)壘層203中設(shè)有球形的量子點(diǎn)501。當(dāng)在發(fā)射極層202和基極層205之間施加一電壓時(shí)，發(fā)射極層202中那些具有同量子點(diǎn)501的量子能級(jí)基本上相匹配的能量的電子，通過諧振隧穿被發(fā)射到基極層205。因?yàn)榘l(fā)射極層202和基極層205在三維上夾著量子點(diǎn)501，所以電子發(fā)射的方向不局限在同各層垂直的方向(圖4中箭頭a所示的方向)上，而也可以是同各層相傾斜的方向(圖4中箭頭b所示的方向)。
在不均勻界面(hetero-interface)中存在能量勢(shì)壘，它由半導(dǎo)體化學(xué)成分的改變?cè)斐?，這樣的界面如第二勢(shì)壘層203和間隔層204之間的界面，以及基極層205與集電極層206之間的界面。傾斜進(jìn)入這些不均勻界面的電子比垂直方向入射的電子更易被反射。因此，當(dāng)入射角m(見圖4)減小時(shí)，傳送電子的效率也降低了。從傾斜方向上發(fā)射的電子比從垂直方向上發(fā)射的電子傳播的距離要遠(yuǎn)。因?yàn)樯⑸涞目赡苄酝鋫鞑サ木嚯x成正比，因而，從傾斜方向上入射的電子更易發(fā)生散射。
許多在傾斜方向上發(fā)射的電子會(huì)因?yàn)榉瓷浜?或散射失去能量并像慢速電子一樣發(fā)生漫射，從而導(dǎo)致電子植入效率的降低，漏電流的增大，工作延遲的增大等。換句話說，僅僅在發(fā)射極層202和基極層205之間設(shè)置量子點(diǎn)并不能獲得很好的器件特性。
相反，在本實(shí)施方式中的結(jié)構(gòu)包括單層量子點(diǎn)103c，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于第二勢(shì)壘層103d和基極層105在量子點(diǎn)103c附近區(qū)域彎曲，因而對(duì)應(yīng)了量子點(diǎn)103c的形狀。甚至在電子傾斜發(fā)射時(shí)，該結(jié)構(gòu)也獲得防止電子散射傳播延遲的效果。
這將在下面做進(jìn)一步的詳細(xì)解釋。在該實(shí)施方式中，因?yàn)榱孔狱c(diǎn)103c上面的部分，即第二勢(shì)壘層103d彎曲，所以即使當(dāng)電子從如圖5中箭頭b所示的傾斜方向發(fā)射到量子點(diǎn)勢(shì)壘層103中，對(duì)于層105的入射角n，同圖4所示的結(jié)構(gòu)相比也會(huì)增加，并接近一直角。當(dāng)入射角n(參見圖5)如上所述增加時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致界面處反射和散射的減少，并能減少傳播時(shí)間的延遲。因?yàn)榛鶚O層105也以同樣的方式彎曲，當(dāng)電子進(jìn)入到基極層105或是集電極勢(shì)壘層106時(shí)，散射和延遲也可以被防止。如上所示，即使電子傾斜發(fā)射，本實(shí)施方式也可獲得阻止電子發(fā)生散射和延遲的效果。
為能獲得上述效果，例如，如圖5所示，僅向基極層105的底部設(shè)置一個(gè)彎曲部分是不夠的。有必要將基極層105的底部d2和基極層的頂部d3設(shè)置有如圖2所示的彎曲部分。當(dāng)電子進(jìn)入到集電極勢(shì)壘層106時(shí)，這種結(jié)構(gòu)能更有效地防止電子發(fā)生散射和延遲。
而且，因?yàn)榈诙?shì)壘層103d和間隔層104之間的界面彎曲，所以第二勢(shì)壘層103d在沒有量子點(diǎn)103c的平坦區(qū)域可以做的更薄些。因此，整個(gè)量子點(diǎn)勢(shì)壘層103的厚度可以做得更薄。當(dāng)在本實(shí)施方式中形成晶格常數(shù)與基板101的晶格常數(shù)不同的量子點(diǎn)勢(shì)壘層103時(shí)，這樣做就可以防止結(jié)晶質(zhì)量的下降。
圖10所顯示的第二種已有技術(shù)具有錐形量子點(diǎn)；然而，因?yàn)閵A著這些點(diǎn)的半導(dǎo)體層是平坦的，所以并不能獲得上述的效果。即使是位于第二種已有技術(shù)中的量子點(diǎn)上的各層彎曲，上述的效果仍不能獲得。因?yàn)檫@里發(fā)射電子的方向同該實(shí)施方式的發(fā)射方向正相反，所以電子從量子點(diǎn)的窄側(cè)到其寬側(cè)發(fā)射。
下面解釋從本實(shí)施方式的半導(dǎo)體器件的基極層發(fā)射出來的電子的能量分布。圖6顯示了本實(shí)施方式中的在室溫時(shí)，通過量子點(diǎn)發(fā)射的電子的總能量分布。這里，因?yàn)橥ㄟ^量子點(diǎn)103c發(fā)射的電子的能量，在x，y和z方向上，由量子能級(jí)來定義，所以能量分布703是尖銳的。通過控制量子能級(jí)，可以很容易地將分布的中心置于低能量區(qū)域701和高能量區(qū)域702之間。而且，因?yàn)槟芰糠植际羌怃J的，所以當(dāng)基極和發(fā)射級(jí)間的電壓被調(diào)制時(shí)，發(fā)射電子的數(shù)量可快速地改變，由此，可通過改變峰值點(diǎn)來防止慢速電子的發(fā)射。
在本實(shí)施方式中，通過把發(fā)射電子的能量分布中心設(shè)在離基極層105導(dǎo)帶底部不小于0.45eV到不大于0.55eV的范圍中，可使90％或更多的發(fā)射電子即使是在調(diào)制狀態(tài)下也高速傳播。而且，因?yàn)椴欢嗟碾娮右驗(yàn)樯⑸涠ツ芰?，所以基極電流減小，這樣使該器件能在很大的溫度區(qū)間內(nèi)具有高增益。
在發(fā)射極層102上部形成基極電極111的區(qū)域，因?yàn)闆]有集電極層107在它上面形成，所以從發(fā)射極層102發(fā)射到基極層105的電子會(huì)造成基極電流(漏電流)。相反，在本實(shí)施方式中，在基極電極111下面會(huì)形成如圖1所示的高阻抗區(qū)域113。因此，在此區(qū)域沒有從發(fā)射極層102到集電極層107的電子發(fā)射，從而防止了漏電流的產(chǎn)生。
如上所述，本實(shí)施方式采用的結(jié)構(gòu)可以用來提供新式的半導(dǎo)體器件，同傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件相比，它可以更容易地制造并在更大的溫度范圍內(nèi)高速地工作。
以上是對(duì)體現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的解釋；然而，此項(xiàng)發(fā)明不限于此并且只要是不與本發(fā)明精神相背，可以有各種修改。例如，在上面的實(shí)施方式中，量子點(diǎn)103c由InAs構(gòu)成，第一勢(shì)壘層103a和第二勢(shì)壘層103d由AlAs構(gòu)成；然而可以使用相對(duì)于一個(gè)電荷具有不同能級(jí)的其他的材料組合物。例如，通過使用InGaAs混合晶體作為量子點(diǎn)103c并將In的含量控制在0到0.3的范圍內(nèi)，就可能控制量子阱的深度。進(jìn)一步說，通過采用InAlAs(In含量在0到0.5之間)作為第一勢(shì)壘層103a和第二勢(shì)壘層103d，可以降低這些層同InP基板之間的晶格錯(cuò)配，并提高結(jié)晶質(zhì)量。
構(gòu)成量子點(diǎn)103c的半導(dǎo)體的能帶隙必須要比構(gòu)成第一勢(shì)壘層103a和第二勢(shì)壘層103b的半導(dǎo)體的能帶隙小。否則，從發(fā)射級(jí)層102發(fā)射的電子將不能被量子點(diǎn)103c所收集(即，電子將不能通過量子點(diǎn)103c)。構(gòu)成第一勢(shì)壘層103a和第二勢(shì)壘層103b的半導(dǎo)體的化學(xué)成分的比例只要能滿足需求就不必要彼此相同；然而，處于設(shè)計(jì)的目的，他們的化學(xué)構(gòu)成最好一致。
在上述的實(shí)施方式中，量子點(diǎn)103c形成有向上的凸出取向的錐形；然而，只要在它接近集電極層106的頂部具有變得更窄的凸起部分，量子點(diǎn)的形狀不限于此。例如，它可以是圓錐形，或類似圓錐型的形狀，或半球形等。此外，因?yàn)閮H僅要求面對(duì)集電極層106的表面是凸出的，所以對(duì)面對(duì)發(fā)射極層的表面的形狀并沒有限定。因此，可將量子點(diǎn)103c的形狀形成如圖7所示的球狀。在這里，量子點(diǎn)103c的粒子尺寸優(yōu)選地不少于2nm，且不大于30nm，這種設(shè)置能獲得一量子能級(jí)，該量子能級(jí)能發(fā)射出高速穿過基極層的電子。
上述實(shí)施方式描述了一種利用MBE制造器件的方法，該方法在控制微粒的產(chǎn)生上具有出色的特性；然而，也可以采用其他一些外延生長的方法，包括金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉淀法(MOCVD)。
在上述實(shí)施方式中，解釋了用S-K模式產(chǎn)生量子點(diǎn)的方法；然而，通過采用其他方法也可獲得同樣的結(jié)構(gòu)，例如，通過采用傾斜的基板然后再實(shí)施掩埋增長(buried growth)等方法可以形成凸向集電極層的量子點(diǎn)。
在上面的解釋中，高阻抗區(qū)域113通過離子植入在基極電極111的下方進(jìn)行；然而，也可以使用下述的一種選擇性氧化方法。在上述實(shí)施方式中的半導(dǎo)體器件中，能級(jí)差通過去掉每層半導(dǎo)體的一部分，將基極層105和發(fā)射極層102的一部分暴露出來而形成，并在其上形成基極電極111以及發(fā)射極電極112；然而，也可以在形成電極之前在提供掩模以將上述的能級(jí)差暴露出來的同時(shí)施加水蒸汽。第一勢(shì)壘層103a和第二勢(shì)壘層103d也在這些步驟中被暴露出來，即，將含有Al的半導(dǎo)體層向內(nèi)側(cè)進(jìn)行氧化，如圖8所示。當(dāng)氧化進(jìn)行到所需的寬度(在橫向方向)時(shí)，停止供應(yīng)水蒸汽，而在基極電極111的下方形成高阻抗區(qū)域115。另外，通過采用選擇性蝕刻法，將基極層105和發(fā)射極層102之間的一部分部分地去掉，也可以形成電流不流動(dòng)的區(qū)域。
組成本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體并不局限于上述實(shí)施方式中所述的那些，只要它們是GaAs、AlAs、InAs、GaP、AlP、InP、GaN、AlN、InN或像III-V族的復(fù)合半導(dǎo)體材料就可以。除二元材料(secondarymaterial)外，還包括如，AlGaAs、GaInP、AlGaInP、InGaAsP、AlGaN、InGaN等的三元混合晶體材料和四元混合晶體材料。由上述的復(fù)合半導(dǎo)體和基板構(gòu)成的具有接近那些復(fù)合半導(dǎo)體的晶格常數(shù)的半導(dǎo)體和絕緣體，可用作本發(fā)明中半導(dǎo)體器件的基板。例如，當(dāng)基板采用GaAs時(shí)，發(fā)射極層、間隔層、基極層和集電極層可以采用GaAs，第一和第二勢(shì)壘層可以采用AlAs，量子點(diǎn)可以用InAs，集電極勢(shì)壘層可用Al(X)Ga(1-X)Asx＜0.4。而且，通過采用In(X)Ga(1-X)Asx＜0.2而不是GaAs作為基極層和間隔層，則可防止電子發(fā)生散射。
在上述實(shí)施方式中，發(fā)射極層，基極層和集電極層在基板上按此順序形成，使電子從底部向頂部傳播；然而，也可按相反順序來形成各層。換句話說，集電極層，基極層和發(fā)射極層可在基板上按此順序形成，使電子從頂部向底部傳播。在此情況下，量子點(diǎn)勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)在垂直方向上也同上面相反。換句話說，有必要形成量子點(diǎn)使它們?cè)谙蛳路较蛲怀觥Ｒ虼?，?duì)應(yīng)量子點(diǎn)的形狀，有必要使量子點(diǎn)下面的第二勢(shì)壘層，間隔層和基極層具有向下突出的曲線。
工業(yè)應(yīng)用性如上所述，本發(fā)明的新式半導(dǎo)體器件可方便地制造，并可以高速工作。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件包括一個(gè)基板；在所述基板上形成的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)包括由III-V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成的一個(gè)發(fā)射極層，一個(gè)基極層和一個(gè)集電極層，所述基極層位于所述發(fā)射極層和所述集電極層之間；位于所述發(fā)射極層和所述基極層之間的量子點(diǎn)勢(shì)壘層；分別連接到所述集電極層、基極層和發(fā)射極層的一個(gè)集電極電極、一個(gè)基極電極和一個(gè)發(fā)射極電極；其中，所述量子點(diǎn)勢(shì)壘層包括多個(gè)量子點(diǎn)和第一、第二勢(shì)壘層，第一、第二勢(shì)壘層分別從所述發(fā)射極層一側(cè)和所述基極層一側(cè)夾著所述量子點(diǎn)，并且第一、第二勢(shì)壘層由一半導(dǎo)體構(gòu)成，該半導(dǎo)體的能帶隙比構(gòu)成所述量子點(diǎn)的半導(dǎo)體的能帶隙大；每個(gè)量子點(diǎn)具有凸向所述基極層的凸出部分；在所述第二勢(shì)壘層中基極層一側(cè)的界面，在所述基極層中集電極層一側(cè)的界面和在所述基極層中發(fā)射極層一側(cè)的界面，每個(gè)界面具有凸向所述集電極層的彎曲部分，以與量子點(diǎn)的所述凸出部分相對(duì)應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述量子點(diǎn)形成凸向所述基極層的圓錐狀形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中，每個(gè)量子點(diǎn)的底面的外直徑不少于2nm，且不大于30nm，并且所述量子點(diǎn)的高度不少于2nm，且不大于10nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述量子點(diǎn)勢(shì)壘層的厚度不少于1.5nm，且不大于10nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述發(fā)射極層、基極層和集電極層在所述基板上以該順序放置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，從所述基極層一側(cè)界面的平坦部分到所述第二勢(shì)壘層中彎曲部分的頂部的距離h1，和從所述集電極層一側(cè)界面的平坦部分到所述基極層中彎曲部分的頂部的距離h2滿足公式1/5≤h2/h1≤1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，量子點(diǎn)的表面密度不小于1010/cm2且不大于1012/cm2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述基極電極在所述基極層上形成，所述基極層通過將所述集電極層的一部分去掉而暴露出來，并且在所述基極層和所述發(fā)射極層之間對(duì)應(yīng)所述基極電極的部分形成一個(gè)高阻抗區(qū)域。
9.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其包括的步驟是在基板上形成由III-V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成的發(fā)射極層的發(fā)射極層形成步驟；在所述發(fā)射極層上形成第一勢(shì)壘層的步驟；在所述第一勢(shì)壘層上形成多個(gè)量子點(diǎn)的量子點(diǎn)形成步驟，每個(gè)量子點(diǎn)在其上表面上具有向上凸起取向的凸出部分；在所述量子點(diǎn)上方形成第二勢(shì)壘層的勢(shì)壘層形成步驟，所述第二勢(shì)壘層覆蓋所述量子點(diǎn)，并在所述第二勢(shì)壘層的上表面上具有向上凸起取向的彎曲部分，以同所述量子點(diǎn)的凸出部分的形狀相對(duì)應(yīng)；在所述第二勢(shì)壘層上形成由III-V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成的基極層的基極層形成步驟，所述基極層在其上表面上具有一向上凸起取向的彎曲部分，以同所述量子點(diǎn)的凸出部分的形狀相對(duì)應(yīng)；在所述基極層上形成由III-V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成的集電極層的集電極層形成步驟；形成與所述發(fā)射極層、基極層和集電極層分別連接的發(fā)射極電極、基極電極和集電極電極的電極形成步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述量子點(diǎn)是以S-K模式形成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述量子點(diǎn)是用分子束照射形成的。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其還包括，在所述電極形成步驟之前通過將所述基極層上方的所述集電極層去除，使基極層的一部分暴露出來的步驟；和通過將離子植入到暴露的基極層中而在所述基極層暴露部分和發(fā)射極層之間形成高阻抗區(qū)域的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其還包括，在電極形成步驟之前在所述發(fā)射極層和所述基極層之間形成階梯形狀部分的步驟，通過將所述發(fā)射極層上方的所述基極層和所述集電極層去除來暴露出所述發(fā)射極層的一部分，并將所述基極層上方同所述發(fā)射極層暴露部分相鄰的部分的集電極層去掉，以便使所述基極層的一部分暴露出來；并且通過應(yīng)用水蒸氣，使階梯形狀部分中暴露的半導(dǎo)體層的一部分氧化的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述第一和第二勢(shì)壘層含有Al，并且這些勢(shì)壘層被水蒸氣所氧化。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述量子點(diǎn)被形成圓錐狀形狀，它們的頂點(diǎn)凸向所述基極層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，每個(gè)量子點(diǎn)底面的外直徑不少于2nm，且不多余30nm，并且每個(gè)量子點(diǎn)的高度不低于2nm，且不高于10nm。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，從所述基極層一側(cè)界面的平坦部分到所述第二勢(shì)壘層彎曲部分的頂部的距離h1，和從所述集電極層一側(cè)界面的平坦部分到所述基極層彎曲部分的頂部的距離h2滿足公式1/5≤h2/h1≤1。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中，所述量子點(diǎn)的表面密度不小于1010/cm2且不大于1012/cm2。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，該器件包括一基板(101)；在該基板(101)上形成的多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；該半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)包括發(fā)射極層(102)、基極層(105)和集電極層(107)，均由III－V族n型復(fù)合半導(dǎo)體構(gòu)成并按此順序成層；位于發(fā)射極層(102)和基極層(105)之間的量子點(diǎn)勢(shì)壘層(103)；分別同集電極層(107)、基極層(105)和發(fā)射極層(102)相連的集電極電極(110)、基極電極(111)和發(fā)射極電極(112)；包括多個(gè)量子點(diǎn)(103c)的量子點(diǎn)勢(shì)壘層(103)；被第一、第二勢(shì)壘層(103a，103d)分別從發(fā)射極層一邊和基極層一邊夾著的量子點(diǎn)(103)；具有凸向基極層(105)的凸出部分的每個(gè)量子點(diǎn)(103c)；第二勢(shì)壘層(103d)中的基極層(105)一側(cè)界面(d
文檔編號(hào)H01L29/737GK1698209SQ20048000042
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月12日
發(fā)明者吉井重雄, 大塚信之, 水野纮一, 鈴木朝實(shí)良 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社