JPH02213167A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 半導体装置に関し、更に詳しく言えば共鳴トンネリング
・ホットエレクトロン・トランジスタ（以下、ＲＨＥ　
Ｔという）の構造に関し、より高速の動作が可能なＲＨ
ＥＴの半導体装置の提供を目的とし、 エミッタ層とベース層との間に共鳴トンネリングバリア
層を有する共鳴トンネリング・ホットエレクトロン・ト
ランジスタ（ＲＨＥＴ）の半導体装置において、 前記共鳴トンネリングバリア層のベース層側に、伝導電
子帯底の最端部のエネルギーレベルが、前記共鳴トンネ
リングバリア層の第１共鳴準位のエネルギーよりも高い
補助バリア層を設けてなることを特徴とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置に関し、更に詳しく言えば共鳴トン
ネリング・ホットエレクトロン・トランジスタ（以下、
ＲＨＥＴという）の構造に関するものである。

ＲＨＥＴは走行速度の極めて高いホットエレクトロンが
関与し、かつ量子力学的共鳴現象を利用して負の微分抵
抗特性を有するので、超高速の新機能動作が可能である
。このため、近年、注目されている。

（従来の技術〕 第７図は従来例の半導体装置の断面図である。

図において、ｌは半絶縁性半導体基板、２は半絶縁性半
導体基板１上に形成されたコレクタ層、３はコレクタＮ
２上に形成されたコレクタバリア層、４はコレクタバリ
ア層３上に形成されたベース層である。また、５はベー
スＮ４の上に形成された三Ｉ！１ｌｔｌｌ造の共鳴トン
ネルバリア層で、バリア層５ａとバリア層５Ｃとこれら
の層に挟まれた電子の共鳴準位を生成する井戸ポテンシ
ャル形成層５ｂとからなる。

６はバリア層５ｃの上に形成されたエミッタ層、７はエ
ミッタＮ６の上に形成されたエミッタコンタクト層であ
り、８゜９．ｌＯはそれぞれエミッタ電極、ベース電極
、コレクタｔ４ｉｉである。

（発明が解決しようとする課題〕 第８図は従来例の構造のＲＨＥＴの特性を示す図である
０図において、横軸はベース・エミッタ間電圧、縦軸は
エミッタを流を示している。なお、コレクタ電流特性も
この図と同様の特性を示す。

この図において、Ｖｐはエミッタ側の電子のエネルギー
レベルが共鳴トンネルバリア層の第１共鳴準位とがほぼ
一敗して該電子のバリアに対する透過率も大きくなり、
エミッタ電流が最大となるベース・エミッタ間電圧を示
している。

またこの特性曲線の傾き、すなわちｄｉ／ｄＶ−（４４
はコンダクタンスを示している。ところで、トランジス
タの動作速度は時定数ＣＸＲ＝Ｃ／ｇ。

（Ｃはエミッタ・ベース間容量）で規定されるから、高
速化を図るためには、特に特性曲線の立ち上がりのｇｔ
を大きくすることが必要である。

しかし、第８図に示すように、従来のＲＨＥＴの特性ニ
ヨれば、Ｖ＝ＯからＶｐまテ（ｒ）　ｄｌ／ｄＶ＝ＦＩ
ｅはなだらかであって口が小さい、このため時定数ＣＲ
が大きく、トランジスタの十分な高速化が図れないとい
う問題がある。

本発明はかかる従来の問題点に鑑みて創作されたもので
あり、より高速の動作が可能なＲｔ（ＥＴの半導体装置
の提供を目的とする。

（課題を解決するための手段〕 上記課題は、第１図の本発明の半導体装置の原理構成図
に示すように、エミッタＭ１７とベース層１４との間に
、バリア＠１６ａ、１６ｃと井戸ポテンシャル形成層１
６ｂからなる共鳴トンネリングバリア層１６を有する共
鳴トンネリング・ホントエレクトロン・トランジスタ（
ＲＨＥＴ）の半導体装置において、共鳴トンネリングバ
リア層１６のベース層１４１１１１（に補助バリア層１
５を設けることにより解決される。

なお、図において、１１は半絶縁性半導体基板、Ｉ２は
コレクタ層、Ｉ３はコレクタバリア層である。

〔作用〕

第２図は、第１図の本発明の半導体装置のエネルギーバ
ンドを示す図であり、Ｅ、はフエルミエネルギーレベル
、Ｅ、は伝導帯下端エネルギーレベル、Ｅ、は価電子帯
上端エネルギーレベルである。

図のように、本発明においては補助バリア層Ｉ５によっ
て、バリアｒＭ　ｌ　６　ａによるバリアに隣接して、
これよりやや低いもう一つのバリアが形成されている。

次に、本発明の半導体装置の電気的特性について説明す
る。

第３図は、本発明の半導体装置のベース・エミッタ間に
電圧を印加したときの共鳴トンネリングバリア層１６お
よび補助バリア層１５付近のエネルギーバンドの状態と
ホットエレクトロンの流れを示す図である。なお、補助
バリア層■５のバリアの最大値は、バイアスがＯのとき
共鳴トンネリングバリア！’！１６の第１共鳴皇位より
も高くなるように設定している。

まず同図（ａ）に示すように、印加電圧■−０において
は、エミッタ１Ｗ１７側の電子のエネルギーは共鳴トン
ネリングバリア層１６の第１共鳴準位よりも低いので、
電子は該共鳴トンネリングバリア１１６を越えることは
できない。すなわち、この場合には電流が流れない。

次に同図（ｂ）に示すように、印加′Ｔ８．ＦＦが上昇
してｖ−ｖｔｈになると、エミッタ層１７側のいくつか
の電子のエネルギーは共鳴トンネリングバリア層１６の
第１共鳴準位とほぼ同等となる。また、このとき補助バ
リア層１５のバリアの頂部が曲げられるとともに低くな
り、そのバリアの高さが共鳴トンネリングバリア層１６
の第１共鳴準位とほぼ同等となる。

ずなわち、エミッタ層１７側の電子は共鳴トンネリング
バリアＩＩＭ１６のバリアを越える条件を満たす。しか
し補助バリア層１５のバリアのため、はとんど共鳴トン
ネリングバリア層１６を越えることはできない、従って
、第４図に示すように、この時点でエミッタ電流が流れ
始めるが、従来例に比べて流れる電流が極めて少ない。

なお、従来例では補助バリア層を設けてないので、バイ
アスを増やすにつれて共鳴トンネリングバリア層のバリ
アが徐々に低くなる。このため、共鳴トンネリングバリ
ア層の第１共鳴準位に達する電子の数も徐々に増えるの
で、電子の透過確率が単調に増加するやまた、エミッタ
層の蓄積電子もバイアスに関して単調に増加するため、
透過確率と蓄積電子の積に比例するエミッタ７１流も単
調な増加特性を示す。

すなわち、第４図に示すように、電流も徐々に増加する
特性（−点鎖線）を示し、曲線の立ち−Ｌがりはなだら
かである。

次いで第３図（ｃ）に示すように、印加電圧を少し増や
してＶ＝Ｖ、になると、補助バリアＩ？’Ｊ１５のバリ
アは共鳴トンネリングバリア層の第１共鳴準位よりも低
くなる。また第１共鳴準位に一致するエネルギーのエミ
ッタ側の電子の数も多くなっているので、共鳴トンネリ
ングバリア層１６を越えるエミッタ側の電子は急速に増
える。このため、第４図に示すように、電流の増加を示
す曲線（実線）の立ち上がりｄｌ／ｄν・口は鋭くなる
。

なお、■、を越えるバイアスを印加したとき、流れる電
流は急速に減少する（第４図において、負性抵抗領域）
、これは共鳴トンネリングバリア層１６の第１共１１％
準位に共鳴するエミッタ側の電子がほとんどなくなるか
らである。

〔実施例〕

次に、図を参照しながら本発明の実施例について説明す
る。

第６図は本発明の実施例に係る半導体装置の断面図であ
る。図において、１８は半絶縁性半導体べ仮としての鉄
ドープのＩｎＰ基板、１９はＩｎＰ基板１８上に形成さ
れたコレクタ層としてのＩｎ。

Ｇａ、、、４３層（組成比Ｘ＝０．５３．不純物濃度Ｎ
ｄ＝５×１０目／ａｍ’、膜Ｗ５０００人）、２０はＩ
ｎ、Ｇａ１−ＡＳ層１９上に形成されたコレクタバリア
層としてのＩｒ＋＋＋　　（Ｇａｏ、ｓ＾ｌａ、ｓ）＋
−ｘ　Ａｓ［（組成比Ｘ−０，５３，ノンドープ、膜厚
２０００人）、２１はＩｎｎ　　（Ｇａｓ、ｓ　Ａｌ＊
、ｓ）＋−＋ｔ　Ａｓ［２０上に形成されたベース層と
してのＩｎ、　Ｇａｐ−、Ａｓ層（＆Ｉｌ成比Ｘ　＝０
．５３．不純物濃度”＝　５　Ｘ　１０　”７ｃｍ”。

膜厚２５０人）である。

また、２２は本発明によって設けられた補助バリア層と
しての１ｎ、（＾ｌｙ　Ｇａ１−ｖ　Ｌ−＋＋　Ａｓ層
（＆ｌ比Ｘ−０，５３，／　７　）”−フ、膜ｗｉｏｏ
人）である。

なお、ｙは、第５図に示すように、０から０．６の間で
連続的に変化させているので、第２図のバンドと同様な
バンド構造をもっている。

２３はＩｎｘ　　（Ａｌｙ　Ｇａ１−ｖ　）＋−＊＾５
ｉＷ２２上に形成された三層構造の共鳴トンネルバリア
層で、バリア層としてのＩｎ、　　ＡＩ、−、八ｓＪ？
５２３ａ（ＩＩ！成比ｙ　＝０．５２．ノンドープ、膜
厚４４人）と井戸ポテンシャル形成層としてのＩｎ、　
Ｇａ、□＾５Ｎ２３ｂ　（＆Ｉ′ｉ成比ｙ−０，５３，
ノンドープ、膜ｆｆ３８．１人）とバリア層としてのＩ
ｎ、　　ＡＩ、−、八５ｌｉｉ２３ｃ（＆１１成比ｙ−
０，５２，ノンドープ、膜厚４４人）とからなる。

２４はＩｎ、　　＾１１□＾Ｓ層２３ｃの上に形成され
たエミッタ層としての１１１１１　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ層
（Ｍｉ成比ｙ　＝０．５３．不純物濃度Ｎｄ＝　Ｉ　Ｘ
　１０　’″／ｃ１゜膜厚５００人）、２５はｒｒｉ、
　Ｇａ、−、＾５Ｊｉ２４の上に形成されたエミッタコ
ンタクト層としてのｌｒｌ、　Ｇａ１−ｍ　Ａｓ層（組
成比Ｘ　＝０．５３．不純物濃度Ｎｄ＝　５　Ｘ　１０
　”／Ｃｍ’、膜厚１０００人）である。

そして、２６，２７．２８はそれぞれエミッタ電極、ベ
ース電橋、コレクタ電極で、ノンアロイのＡｕ（３００
０人）　／Ｃｒ　（２００人）層によりて形成される。

このような本発明の実施例のＲＨＥＴにおいては、第２
図で示すエネルギーバンドをもっているため、補助バリ
ア層としてのｌｎｘ　　（ＡＩ、　Ｇａ、−ｐ　Ｌ−１
１＾Ｓ層２２が有効に働き、第４図に示すような曲線の
急激な立ち上がりをもつ電圧・電流特性を得ることがで
きる。すなわち、この曲線の立ち上がりに対応するコン
ダクタンスｄｒ／ｄＴｏｇｃが極めて太き（なるので、
ＲＨＥＴのトランジスタとしの動作が、より高速になる
。

なお、補助バリア層であるＩｎ、　　（ＡＩ、　Ｃａ、
−２）、１＾Ｓ層２２は、組成比ｙを連続的に変化させ
て成長させているが、例えば分子線エピタキシ（ＭＢＥ
）技術を用いることにより、容易に成長可能である。こ
の組成比の連続的変化により、補助バリアのバンドもな
めらかな変化となっているので、注入ホットエレクトロ
ンに対する不要な量子力学的反射を防ぐことができ、よ
り大きなコンダクタンスを得ることが可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば共鳴トンネルギー
バリア層に隣接して補助バリアを設けているので、電圧
・電流特性の立ち上がり、すなわちコンダクタンスｄｉ
／ｄＶ＝ｇｉを大きくすることができるので、ＲＨＥＴ
の動作を、より高速にすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体装置の原理構成図、第２図は
、本発明の半導体装置のエネルギーバンド図、 第３図は、バイアス状態のエネルギーバンドとホットエ
レクトロンの流れを示す図、 第４図は、本発明の電圧・電流特性を示す図、第５図は
、本発明の実施例の補助バリア層の組成分布を示す図、 第６図は、本発明の実施例の半導体装置の断面図、 第７図は、従来例の半導体装置の断面図、第８図は、従
来例の半導体装置の特性を示す図である。 （符号の説明〕 １．１１・・・半絶縁性半導体基板、 ２．１２・・・コレクタ層、 ３．１３・・・コレクタバリア層、 ４．１４・・・ベース層、 ５．１６・・・共鳴トンネリングバリア層、１６ａ、１
６ｃ＝−・バリア屑、 １６ｂ・・・井戸ポテンシャル形成層、１５・・・補助
バリア層、 ６．１７・・・エミッタ層、 ７・・・エミッタコンタクト層、 ８・・・エミッタ電極、 ９・・・ベース電極、 １０・・・コレクタ電極、 １８・・・ＩｎＰ基板、 １９　・＝ｌｎｘ　Ｇａ１−ｗ　ＡｓＨ（コレクタ層）
、２０−Ｉｒｉ、１（Ｇａｓ、ｓ　Ａｌｅ、ｓ）＋−ｘ
＾５ｊｔｌ（コレクタバリア層）、 ２　＋　−Ｉｎ、　Ｇａ１−０八ｓＲＷ　（ベース１１
）、２２−Ｉｎ−（ＡＩ、　Ｇａ＋−ｙ　）ｌ−ｘ＾Ｓ
層（補助バリア層）、 ２３・・・共鳴トンネルバリア肩、 ２３　ａ　・＝　Ｉｎ、　　＾ＩＩ−Ｙ　Ａｓ　Ｊ！　
（バリアＭ）、２３　ｂ　−Ｉｎｋ　Ｇａ１−ｘ＾ｓＮ
（井戸ポテンシャル形成層）、 ２３　ｃ　−Ｉｎ、　　ＡＩｔ−ｙ　Ａｓ　ｊｌ　（バ
リアＩｗ）、２４　＋１’ｌ１１．Ｇａｐ−、Ａ３層（
エミッタ１ｍ）、２５・・・Ｉｎ、　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ
層（エミッタコンタクト層）、２６　・・・＾ｕ／Ｃｒ
１ｉ　（エミッタ１を掻）、２７−Ａｕ／ＣｒＪｌ’！
　（ベース電極）、２　Ｂ　−・−＾ｕ／ＣｒＪｉ　（
コレクタ電ｉ）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 エミッタ層（１７）とベース層（１４）との間に共鳴ト
   ンネリングバリア層（１６）を有する共鳴トンネリング
   ・ホットエレクトロン・トランジスタ（ＲＨＥＴ）の半
   導体装置において、 前記共鳴トンネリングバリア層（１６）のベース層（１
   ４）側に、伝導電子帯底の最端部のエネルギーレベルが
   、前記共鳴トンネリングバリア層（１６）の第１共鳴準
   位のエネルギーよりも高い補助バリア層（１５）を設け
   てなることを特徴とする半導体装置。