Halbleitertechnologie von A bis Z

Der MESFET wird typischerweise auf einem semi-isolierenden Substrat (bei GaAs meist chromdotiert oder undotiert mit tiefen Störstellen) gefertigt, das im unbeschalteten Zustand praktisch keinen Strom leitet. In dieses Substrat wird eine dünne, leicht dotierte aktive Schicht eingebracht, meist mittels Ionenimplantation oder Epitaxie – sie bildet den eigentlichen Leitungskanal. Source und Drain werden über stark dotierte Bereiche mit ohmschen Kontakten angeschlossen. Das Gate besteht aus einem direkt auf den Halbleiter aufgebrachten Metall, das mit dem darunterliegenden Kanal einen Schottky-Kontakt bildet – anders als beim JFET gibt es hier also keinen pn-Übergang und anders als beim MOSFET keine isolierende Oxidschicht zwischen Gate und Kanal.

An jedem Metall-Halbleiter-Übergang mit ausreichender Barrierenhöhe bildet sich bereits ohne äußere Spannung eine Verarmungszone im Halbleiter aus, deren Breite von der eingebauten Schottky-Barrierenspannung abhängt. Legt man eine negative Gate-Source-Spannung an, vergrößert sich diese Verarmungszone und schnürt den darunterliegenden Kanal zunehmend ein – das Funktionsprinzip entspricht damit im Kern dem des JFET, nur mit einem Schottky- statt einem pn-Übergang als Steuerelement. Auch beim MESFET gilt näherungsweise die Shockley-Beziehung zwischen I_D, V_GS und einer Abschnürspannung V_p, wobei die genaue Kanalgeometrie (Dicke und Dotierung der aktiven Schicht) die Kennwerte bestimmt.

Ist die aktive Schicht dick bzw. hoch genug dotiert, dass bei V_GS = 0 V bereits ein leitfähiger Restkanal existiert, spricht man vom Verarmungstyp (D-MESFET, „normally-on“) – der klassische, in der HF-Technik dominierende Fall. Wird die aktive Schicht dagegen so dünn und schwach dotiert ausgelegt, dass die eingebaute Verarmungszone den Kanal bei V_GS = 0 V bereits vollständig ausfüllt, entsteht ein Anreicherungstyp (E-MESFET, „normally-off“), der erst durch eine positive Gate-Spannung leitfähig wird. Diese Kombination aus D- und E-MESFETs auf einem Chip ermöglichte in den 1980er/90er Jahren die sogenannte DCFL-Logik (Direct Coupled FET Logic) – eine schnelle, wenn auch leistungshungrige GaAs-Digitaltechnik, die u. a. in frühen Supercomputern und Satellitenanwendungen eingesetzt wurde.

MESFETs werden nahezu ausschließlich in III-V-Verbindungshalbleitern wie GaAs oder InP gefertigt, da diese Materialien – anders als Silizium – kein stabiles, defektarmes natives Oxid bilden, das für einen MOS-Aufbau geeignet wäre; der Schottky-Kontakt umgeht dieses Problem elegant. Die im Vergleich zu Silizium deutlich höhere Elektronenbeweglichkeit von GaAs ermöglicht sehr hohe Grenzfrequenzen und geringes Rauschen bei hohen Frequenzen. Nachteilig sind ein im Vergleich zum MOSFET höherer Gate-Leckstrom (der Schottky-Kontakt sperrt weniger gut als eine Oxidschicht), eine ausgeprägte Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenzuständen und Traps im Substrat, die zu Drift- und Verzögerungseffekten führen können, sowie eine begrenzte Skalierbarkeit der Gate-Länge, da bei sehr kurzen Kanälen Kurzkanaleffekte und eine schlechtere Steuerbarkeit des Kanalpotentials auftreten.

MESFETs waren über Jahrzehnte die dominierende Transistortechnologie für Hochfrequenz- und Mikrowellenanwendungen wie Satellitenkommunikation, Radartechnik und rauscharme HF-Verstärker (LNAs). In den letzten Jahrzehnten wurden sie in vielen dieser Anwendungen zunehmend durch den HEMT (High-Electron-Mobility-Transistor) verdrängt, der durch eine heterostruktur-basierte Kanalbildung (z. B. AlGaAs/GaAs oder GaN-basiert) noch höhere Elektronenbeweglichkeiten und Grenzfrequenzen erreicht. Dennoch bleibt der MESFET als konzeptioneller Vorläufer und wegen seines vergleichsweise einfachen Fertigungsprozesses in bestimmten Nischenanwendungen relevant.