JPH03209730A - トンネル注入型静電誘導トランジスタ - Google Patents

トンネル注入型静電誘導トランジスタ

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JPH03209730A
JPH03209730A JP31798490A JP31798490A JPH03209730A JP H03209730 A JPH03209730 A JP H03209730A JP 31798490 A JP31798490 A JP 31798490A JP 31798490 A JP31798490 A JP 31798490A JP H03209730 A JPH03209730 A JP H03209730A
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Junichi Nishizawa
潤一 西澤
Kaoru Mototani
本谷 薫
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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】 [産業上の利用分野] 本発明は、トンネル注入型静電誘導トランジスタに関す
る。
[従来の技術] 静電誘導型トランジスタ(以下、SITと略す)は、ゲ
ートとゲートの間で空乏層がつながって住じている電位
障壁の高さを変化させて、ソース・ドレイン間の電流を
制御するトランジスタである。
この時、電位の制御が空乏層の静電容量を通して行われ
ることから、バイポーラトランジスタにおけるベース層
の蓄積容量がないものに相当し、FETと比べてみても
非常に高速、低雑音で動作するという優れた特性を有し
ている。
しかし、従来のSITはソース・ドレイン間、特にソー
ス・ゲート間の寸法が割合と大きな構造になっていたた
め、キャリアが結晶格子の散乱を受け、上限周波数が制
限される問題点があった。
[発明が解決しようとする課題] 前述の欠点を除去するために、キャリアが結晶格子の散
乱を受けずに熱電子速度で動くことのできる熱電子放射
型SITが先に本願発明者等によって提案された。
このときの電熱密度Jは下式(1)で与えられる。
二二で、qは単位電荷、kはボルツマン定数、Tは絶対
温度、m*はキャリアの有効質量、nsはソースの不純
物密度、Φgsはゲート領域とソース領域の拡散電位V
gはゲートに加えた電圧である。
キャリアの注入状態が熱電子放射状態になったときのS
ITの遮断周波数fcは、電位障壁の幅をwgとしたと
きに、SITを従属接続して2段目の入力容量を考慮し
たときには下記(2)式で与えられる。
8、8Wg 従って、GaAsを用いた場合で電位障壁の幅Wgを0
.1μmとしたときに、遮断周波数fcはほぼ780G
Hzとなる。以上のことがら熱電子放射型SITのfc
は高々800GHzであり、それ以上の高い遮断周波数
fcが得られながった。
そこで本発明は、上記の熱電子放射型SITの限界を超
える量子効果のトンネル注入を用いた、トンネル注入型
SITを提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] このため本発明は、第1導電型の高不純物密度のドレイ
ン領域と、このドレイン領域上に形成された前記第1導
電型と反対の第2導電型の半導体領域を少なくとも一部
分に有するチャンネル領域と、このチャンネル領域上に
形成された前記第1導電型のトンネル注入領域と、この
トンネル注入領域上に形成された前記第2導電型の高不
純密度のソース領域と、前記チャンネルの第2導電型半
導体領域に接触し、かつ、前記チャンネル内のソース領
域近傍に生じる電位障壁のピーク(イントリンシックゲ
ート)とソース領域間の距離をキャリアの平行自由行程
以下とする位置に形成された前記チャンネルよりも禁制
帯幅の大きい半導体よりなるゲート領域とを具備すると
共に、前記チャンネル幅の寸法が前記チャンネル領域の
不純物密度より決まるデバイ長^Dに対して、2λD以
内であることを特徴としている。
[作用コ これによりゲートに電圧を加えるとチャンネル領域のゲ
ートと接触している領域の導電型が反転してソースから
ドレインに電子がトンネル注入され、変速で移動し、S
ITの遮断周波数を先に出願人が提案した熱電子放射型
SITのおよそ1゜0倍に上げることができる。
[実施例コ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本発明の一実施例に係るトンネル注入型SIT
の断面図を示したものである。図において、1はn÷の
G a A s基板でドレインとなる領域、2はチャン
ネルのn−層、3,4はチャンネルに接して設けられた
”+  p十層のトンネル注入層、4はソースとなる領
域、5はGa、−xAl、Asで形成されるゲートとな
る領域で、断面図のみ示しているが相互に網目状あるい
は線状になっていて、端部が一緒になって電極となるべ
き領域は表面に露出しているもの、6はドレイン電極、
7はソース電極、8は前記ゲートのうち、表面の露出さ
れた部分に形成されたゲート電極である。
この構成から判るように、GaAsのように良好な絶縁
膜が得られない化合物半導体においては、ゲートをGa
Asよりも禁制帯幅の大きな例えばGa、xA IxA
sのような混晶で形成することによって、ゲートを絶縁
ゲート類似することができる。
また、図の構成で、ゲート領域5の間を通り、ソース4
とドレインlの間にできるチャンネル2中、ソース4よ
り真のゲート(イントリンシックゲート:ソース近傍に
生じる電位障壁のピーク)までの距離は、平均自由行程
以下とすることは言うまでもない。このとき、ゲート領
域の間隔と厚み、チャンネル領域の不純物密度の大きさ
を変化させることによって、ノーマリオンとノーマリオ
フの動作とすることができる。ゲート領域となるGa、
−xAIXAsのXの値は例えばx=0.3とする。
不純物密度はアンドープとすると良い。
このように構成されるトンネル注入型SITにおいて遮
断周波数fcは次式(3)で与えられる。
Q=CgVg (4) (3) (4) 式より 2π τ  2τ となる。ここで、トンネル遷移時間ftはτの逆数であ
る。
トンネル遷移時間は次式(6)で与えられる。
市 τ;−・・・ (6) Ea ここで、tはブランク定数を2πで除したもの(1,0
546X10’−”J −5ec) 、Eはトンネル接
合の電界強度、aは格子定数である。格子定数としてG
aAsの5.6533Aとしたときに、電界強度Eをl
o”V/cm、5×10°V/ c m、7 X I 
O”V/ c m、  10’V/ c mとしたとき
のfcは前記(5)、  (6)式より、それぞれ、l
、37XIO”Hz、6.83XIO”Hz、9.56
xl○“”Hz、1.37X10”Hzとなり、遮断周
波数は、1007Hz程度と成る。この値は出願人が先
に提案した熱電子放射型SITのおおよそ100倍位で
あって、熱電子注入よりも、量子効果に基づくトンネル
注入を用いればSITの遮断周波数fcを非常に高くし
得ることがわかる。
ところで、上記実施例においては、ゲート・ソース間容
量(Cgs)およびゲート・ドレイン間容量(Cgd)
が大きくなり易いという問題がある。
これを解決したのが、第2図に示す実施例で、Cgsを
極めて小さくできる。図中、第1図と同一符号は同−又
は相当部分を示している。この実施例においては、ゲー
ト5がソース4と同−主表面上にあるので、ゲート電極
8の取り出しが容易なることと、Cgsとゲート抵抗r
gが共に減少し、より高速動作が得られるという利点が
得られる。
第3図および第4図は本発明の更に他の実施例を示した
ものであり、Cgdを減少させるべく、絶縁物9を設け
たものである。絶縁物としてはSl○1、Si、N4膜
又はポリイミド樹脂等が良い。
GaAsの誘電率11に対して、Si、N45.5、S
 i O,は3.8、ポリイミドは3.2位であるので
、CgdはGdAsが存在する場合に比べて半分以下と
なる。
第5図はチャンネルを9層10とした実施例である。ゲ
ート領域とチャンネルのP層が反転状態になり、P層の
ゲート領域5と接触している領域がn層になったときに
、ソースより電子がドレインへトンネル注入されて動作
する。
ソースよりドレインまでの長さすなわちチャンネル長は
例えば100人というような値に制御することはできる
が、ゲート間隔すなわちチャンネル幅は、デバイ長を目
安として決定する必要がある。そのデバイ長は次式(7
)で与えられる。
ここでnはチャンネルの不純物密度、εは誘電率である
上式(7)でnが10”cm−’のときにλpが3.9
5 μm、10”cm−”のときに0.4μm。
また、10” c m−”のときには0.04μm位と
なる。おおまかにいってチャンネル長の寸法制御に比べ
て、チャンネル幅の寸法制御はフォトリソグラフィの精
度で決まるので、チャンネル幅の寸法は製作技術との兼
ね合いで決定する必要がある。
第6図はソースからの電子を、能率良く、ゲート領域に
制御するために、第5図の実施例のpチャンネル中に高
不純物密度領域を形成した実施例である。埋込領域11
はソース側の電子に対して電位障壁が高いので、電子は
チャンネルの埋込領域の両側を通るようになる。実際に
動作する部分がゲート領域形成しているpチャンネル?
ソース電極7は例えば0.5μm〜1μmとしても良い
ことになり製作は容易になる。
第7図は本発明の更に別の実施例を示したものであって
、p領域をソース領域4に隣接し、残りの部分はn (
n−)領域とした構造である。
また、第8図は、p領域をチャンネルのソースの近くに
挿入したものであって、Cgsを小さくし、ゲート領域
を小さく形成できる実施例を示している。
なお、以上に説明してきた第1図〜第8図の実施例にお
いて、ソースより真のゲートまでの距離は平均自由行程
以下にすることは勿論である。
ところで、トンネル注入層のn+、p+層の不純物密度
は、次式のように決めることができる。すなわち、p◆
、n十層の不純物密度が一様の場合に、0バイアスの拡
散電位vbで決まる空乏層の厚みWは次式となる。
ここで、NAはp÷領域4のアクセプタ密度、Npはn
÷領域3のドナー密度である。
NAを10” c m−”としたときに、NDが10”
c m−”ではWは130A、Eは2.16X10’V
/cm、NDが10”cm−”ではWは41A1Eは6
.8X10“V / c m程度となり、そのときのf
cはそれぞれ40THz、72THz位となる。
なお、以上の実施例において、ゲート領域のG a 、
−xA 1 、A sはGaAsとの間の表面準位をで
きるだけ減少させる必要があり、G a A sとの間
で格子定数が合うようにG a 、−xA 1 、A 
s ++yのように少量のP(リン)を添加した混晶と
するとよい。また、そのときの組成はx=0.3のとき
にyは0.01程度にすると良い。
チャンネルの不純物密度はi層から10’”cm−”ト
ンネル注入領域は101@〜10 ” c m−”程度
とすれば良い。ソースとドレインの電極材料はn+層へ
はAu−Ge、Au−Ge−Ni、p十層へはAu−Z
n、Ag−Zn、Cr−Au等の合金を用いることがで
きる。
ゲート領域のGa、−xAlxAsの電極材料としては
、前記ソース、ドレイン用の電極材料の他にTi。
Pt、W、Cr、Hf、Ni等のGa、−xAlxAs
に対して抵抗性接触を形成しない高融点金属材料とする
こともできる。
素子の製作に際しては、チャンネル領域、ソース領域は
、本願発明者等の発明によるGaAsの1分子層ずつ成
長できる分子層エピタキシャル成長法、および光分子層
エピタキシャル成長法、気相成長法、MOCVD法、M
BE法、イオン注入法等が使用できる。ソース、ゲート
、ドレインの電極の形成は真空蒸着(抵抗加熱、電子ビ
ーム加熱、スパッタ法)法、プラズマエツチング、フォ
トエツチング、フォトリングラフィ等の組合せにより形
成できる。また、半導体材料はG a A sに限らず
InP、1nAs、n  VI族半導体その混晶等の半
導体でも良いし、ゲート領域はI n、。
G a x P 、  I n 、−x G a xA
 sでも良いことは言うまでもない。
[発明の効果コ 以上のように本発明によれば、従来のトランジスタでは
得られない高い周波数領域で増幅、発振等の三端子動作
する高速、低雑音のトンネル注入型静電誘導トランジス
タが得られる。
【図面の簡単な説明】 第1図〜第8図はそれぞれ本発明の各実施例に係るトン
ネル注入型静電誘導トランジスタの断面図である。 l・・・ドレインとなるべきn÷基板、2.10・・・
チャンネル、3・・・トンネル注入領域、4・・・ソー
ス領域、5・・・G a A sよりも禁制帯幅の広い
半導体で形成されるゲート領域、6・・・ドレイン電極
、7・・・ソース電極、8・・・ゲート電極、9・・・
絶縁物。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1導電型の高不純物密度のドレイン領域と、こ
    のドレイン領域上に形成された前記第1導電型と反対の
    第2導電型の半導体領域を少なくとも一部分に有するチ
    ャンネル領域と、このチャンネル領域上に形成された前
    記第1導電型のトンネル注入領域と、このトンネル注入
    領域上に形成された前記第2導電型の高不純密度のソー
    ス領域と、前記チャンネルの第2導電型半導体領域に接
    触し、かつ、前記チャンネル内のソース領域近傍に生じ
    る電位障壁のピーク(イントリンシックゲート)とソー
    ス領域間の距離をキャリアの平行自由行程以下とする位
    置に形成された前記チャンネルよりも禁制帯幅の大きい
    半導体よりなるゲート領域とを具備すると共に、前記チ
    ャンネル幅の寸法が前記チャンネル領域の不純物密度よ
    り決まるデバイ長λ_Dに対して、2λ_D以内である
    ことを特徴とするトンネル注入型静電誘導トランジスタ
  2. (2)特許請求の範囲第1項記載において、ゲート領域
    がチャンネル領域の半導体と格子定数補正されてなるト
    ンネル注入型静電誘導トランジスタ。
  3. (3)特許請求の範囲第1項から第2項までのいずれか
    の記載において、ゲート領域に接して設けられるゲート
    電極がゲート領域に対して抵抗性接触とならない金属材
    料で形成されてなるトンネル注入型静電誘導トランジス
    タ。
  4. (4)特許請求の範囲第1項から第3項までのいずれか
    の記載において、チャンネル中に、ソース領域からのキ
    ャリアに対して他のチャンネル領域よりも電位障壁の高
    い半導体領域を含むトンネル注入型静電誘導トランジス
    タ。
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