JPH0550148B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体領域と導電性対向領域間にシリ
コンナイトライド膜またはシリコン酸化膜とシリ
コンナイトライド膜との二重層とから成る絶縁膜
を有する半導体デバイスに関し、特に、当該絶縁
膜を介して上記半導体領域と対向領域間に流れる
主電流ないし素子電流を、第三領域に印加する電
圧により制御可能とした改良に関する。

［従来の技術］ 従来、電流制御型の負性抵抗を介して導通状態
と遮断状態の間を遷移するスイツチ特性を有する
素子として、第１図示のような基本構造を持つ素
子が提案された。

本発明も、最も基本的な構造においてはこの第
１図に示される素子構造を利用し、これに改良を
施すという形を採るので、まず、この基本構造自
体について説明すると、半導体領域１００と、こ
れに対向する対向領域１０とがあり、これら二つ
の領域１０，１００間には、シリコンナイトライ
ド膜またはシリコン酸化膜とシリコンナイトライ
ド膜との二重層１が直接に挟み込んである。

しかるに、この素子構造においては、それ以前
の常識では専ら絶縁膜として用いられていたシリ
コンナイトライド膜（またはシリコン酸化膜とシ
リコンナイトライド膜との二重層）１を介し、半
導体領域１００と対向領域１０間に電流を流すこ
とにより、その特性として第２図示のように電流
制御型の負性抵抗を持ち、導通状態と遮断状態の
間で遷移するスイツチ特性を呈することに特徴が
あるとされていた。

すなわち、この第２図示のようなスイツチング
特性が生ずるのは、対向領域１０からシリコンナ
イトライド膜（またはシリコン酸化膜とシリコン
ナイトライド膜との二重層）１を介して直接トン
ネルまたはフアウラー・ノルドハイム・トンネル
により半導体領域１００にキヤリアを流すと、半
導体領域表面で当該キヤリアを高エネルギ・キヤ
リアとなし得、キヤリアの増倍効果を生じさせ得
るがためである。

そしてまた、逆に、第１図示のような基本素子
構造で上記の効果を満足するために要求される最
低限の事項は、シリコンナイトライド膜またはシ
リコン酸化膜とシリコンナイトライド膜との二重
層１の膜圧に関し、対向領域と半導体領域間への
所定値以上（少なくとも第２図中のＢ点；保持電
圧以上）のバイアス印加条件下で当該シリコンナ
イトライド膜またはシリコン酸化膜とシリコンナ
イトライド膜との二重層１を介してのトンネル電
流の存在を許すことができ、かつ、このトンネル
電流によつて半導体領域内に注入されたキヤリア
のエネルギが半導体領域のエネルギ・バンド・ギ
ヤツプ以上となり得る膜厚に設定されているとい
うことである。

こうした第１図示装置の実施例としては、対向
領域１０のAl蒸着膜、半導体領域１００にｎ型
シリコン基板を用い、対向領域１０と半導体領域
１００の間に挟まれるシリコンナイトライド膜１
には、上記のｎ型シリコン基板上に成長させた、
望ましくは約90Å程度の熱窒化膜を挙げることが
できる。

もう少し具体的に言うと、半導体領域１００が
シリコンである場合、例えば900℃〜1200℃の温
度で、かつ、酸素含有量を特に少なくした窒素ま
たはアンモニアガス雰囲気中において、10分〜数
時間に亙り当該半導体領域を加熱（熱窒化）処理
すれば、適当なるシリコンナイトライド膜１が得
られる。

もつとも、半導体領域１００がシリコン以外の
場合、すなわちCaP、InP、GaAs等の化合物半
導体の場合にも、600℃〜800℃でシランとアンモ
ニアを原料とした化学蒸着法を採用すれば、同様
に適当なるシリコンナイトライド膜１が得られる
し、この化学蒸着法はまた、逆にシリコン基板に
対して採用することができる。

さらに、上記の熱窒化に際しては、微量の酸素
の混入により、シリコン窒化膜の上にシリコン酸
化膜が成長することがあるが、それが30Å前後ま
でならば、第２図と同様、良好な電気特性を示
す。シリコンナイトライド膜１の厚さも、20Åか
ら約150Å程度までは第２図に示されるような特
性が得られ、同図中、Ｂ点の電流（保持電流）は
シリコンナイトライド膜が薄い程大きくなり、ま
た、Ｂ点の電圧（保持電圧）はシリコンナイトラ
イド膜の膜厚の増加と共に膜厚の厚い部分で増加
する。

なお、対向領域１０としては、導電性の領域を
形成するものならば、上記のAl蒸着膜以外にも、
他の金属膜、半導体膜等を用いることもできる。

［発明が解決しようとする課題］ しかるに本発明は、上記のように従来は負性特
性素子としてしか使われていなかつた第１図示の
素子構造を、特に微小な電流領域でも第三領域に
印加する電圧により、当該素子電流を制御し得る
半導体デバイスに改良せんとするものである。

従来、こうし試みは全くなく、一方で将来的な
見地からすれば、例えばピコ・アンペア・オーダ
等、微小な電流領域において素子電流の制御可能
な素子の要請が高まることから思うと、上記本発
明の目的は達成するに値する価値を持つ。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するため、半導体領域
と導電性の対向領域間にシリコンナイトライド膜
またはシリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜
との二重層から成る絶縁膜を挟み込み、半導体領
域と対向領域間に所定値以上のバイアスを印加す
ると上記の絶縁膜を介して電流が流れる半導体デ
バイスに対し、さらに、対向領域に対向した半導
体領域部分から少数キヤリア到達距離以内に半導
体領域の位置に、上記半導体領域に対して整流性
の接合を形成する第三の領域を設けることによ
り、この第三の領域を上記対向領域と半導体領域
間に得られる電圧対電流特性を制御する制御領域
とする。

［作用］ 本発明のデバイス構造では、対向領域に対向す
る半導体領域部分の少数キヤリアは、その拡散ま
たはドリフトによる到達距離以内に設けられた第
三の領域に集められるため、この第三領域に印加
する電圧を変化させることにより、半導体領域と
対向領域間に得られる電圧対電流特性を制御す
る。

換言すれば、本発明により新たに付与された第
三領域に印加する制御電圧ないし制御信号によ
り、半導体領域と対向領域間を流れるデバイス主
電流ないし素子電流を制御する。

これは結局、第三領域の存在により、既述の負
性特性に寄与していた少数キヤリアを集めて制御
できるようになつたため、一対の素子電流端子
間、すなわち半導体領域に付した端子と対向領域
に付した端子の間に負性特性が認められなくなつ
た代わりの効果と認識することもできる。

ただ、第三領域と対向領域間の入力特性には負
性抵抗が見られることもある。上記トンネル注入
による発生した少数キヤリアが第三領域に同極性
で吸収されるからである。対向領域から注入され
たキヤリアが少数キヤリアを発生しない場合には
負性特性は認められないが、第三領域は対向領域
に対向した半導体領域表面部分の少数キヤリアを
制御できるので、結局は素子電流を制御すること
ができる。

いずれにしても、素子電流端子間の電圧対電流
特性を外部から制御し得るため、適当なる負荷条
件の下、本デバイスは増幅素子として利用可能で
あり、また、後述の実験例から明らかなように、
マイクロ・アンペア程度の相対的に高い電流領域
からピコ・アンペア・オーダ程度の微小電流領域
まで、本デバイス構造に従つた場合には第三領域
に印加する電圧の如何により、素子電流を制御可
能となつて、特に微小電流駆動を採る集積回路要
素の一つとして有用となる。

［実施例］ 第３図には本発明に従つて構成された半導体デ
バイスの一実施例が示されている。

ただし、この実施例においても、対向領域１
０、シリコンナイトライド膜またはシリコン酸化
膜とシリコンナイトライド膜との二重層１、そし
て半導体領域１００を有する基本構造部分の構成
は、すでに第１，２図に即して述べた基本構造に
おけると同様で良く、特にシリコンナイトライド
膜１またはシリコン酸化膜とシリコンナイトライ
ド膜との二重層１の膜厚に関する限定（特にトン
ネル電流を流し得るという点において）や製造例
等も、また同様に採用して良い。

この実施例で半導体領域１００の導電型にｎ形
を想定すると、既述した第１図示の基本構造部分
のメカニズムにより、対向領域１０から半導体領
域１００に注入された高エネルギ・キヤリアであ
る電子により発生した少数キヤリア（この場合は
正孔）は当該少数キヤリアである正孔に拡散また
はドリフトによる到達距離以内に設けられた第三
領域としてのｐ形半導体域１０１Ｂに集められ
る。

この結果、本発明において付設された第三領域
１０１Ｂのない従来の基本構造のままでは、素子
電流端子である半導体領域１００に付した端子
と、対向領域１０に付した端子との間に第２図示
のようなＳ字型負性特性が得られていたのに、こ
の特性を生起する因であるキヤリア増倍効果によ
り発生する少数キヤリアに対し、これを集めて制
御する第三領域が増設されたため、本発明デバイ
スでは、それら一対の素子電流端子間に得られる
電圧対電流特性が第４図示のように変わる。

この第４図は、当該図面中にも併記のように、
電極１０１Ｅを介し第三領域１０１Ｂに印加する
電圧を対向領域１０に対して４〜５ボルトの範囲
内で変化させた場合を示しており、明らかに、当
該電極１０１Ｅを介し当該第三領域１０１Ｂに印
加する電圧信号により、素子電流を制御できるこ
と、したがつて適当なる負荷線の下、本デバイス
を増幅素子として利用し得ることを示している。

しかも、縦軸の電流軸目盛が単位をピコ・アン
ペアとする対数目盛で付されていることからも理
解されるように、本発明デバイスによる電流制御
の範囲は極めて広く、マイクロ・アンペア程度の
相対的に高い電流領域から、図示の場合は百ピ
コ・アンペア程度のオーダの微小電流領域にま
で、応用が利くことが分かる。

将来的に各種集積回路の集積密度がより一層向
上してくると、単位素子あたりの消費電力は極め
て微小に抑えなければならなくなることは当然に
予想され、そうした意味からすれば、第４図の示
す効果は極めて大きいものがある。

なお、本デバイス構造では、上記したように、
半導体領域端子と対向領域端子間には負性特性が
失われても、第三領域１０１Ｂと対向領域１０と
の間の入力特性には負性抵抗が見られることもあ
つた。上記のトンネル注入により発生した少数キ
ヤリアが当該第三領域に印加される電圧に対し、
同極性で吸収されるからである。

また、半導体領域１００と整流性接合を形成す
る第三領域１０１Ｂを、例えば第３図中に仮想線
で示すように対向領域１０の下に一部重なるよう
に設けるか、あるいは同図に示すように、対向領
域１０にあつて絶縁膜２の上へ延在した部分１０
ａの下に一部重なるように設けた場合には、第三
領域１０１Ｂの存在の影響は当然に高くなるか
ら、上記制御機能をより高めることができる。

以上、種々説明したが、上記において半導体領
域の導電型を逆とし、正孔と電子とを逆にした場
合にも本発明は成立すること、言うまでもない
し、上記説明では半導体領域１００は基板であつ
たが、他の半導体基板表面の上に分離された状態
で形成された領域であつたり、絶縁基板上に形成
された半導体薄層であつても良い。

さらに本発明の応用例において、他の電界効果
トランジスタのソースまたはドレイン、あるいは
他のバイポーラ・トランジスタのコレクタと半導
体領域とを共通領域とすること等もできる。

［効果］ 本発明によると、シリコンナイトライド膜また
はシリコン酸化膜とシリコンナイトライド膜との
二重層から成る薄膜をトンネル絶縁膜として利用
し、当該トンネル絶縁膜を挟む半導体領域と対向
領域間に従来は負性特性を得るために構成されて
いたデバイスを、第三領域からの電圧信号でその
素子電流を制御可能な増幅素子として利用可能に
し、もつて各種電子回路に新たなデバイス要素を
提供し、技術の豊富化に寄与することができる。

また、制御可能な電流オーダはピコ・アンペ
ア・オーダにも及ぶから、特に将来的に集積回路
の密度向上に伴い、微小電力駆動とせざるを得な
い状況に鑑みると、本発明デバイスは極めて有用
な要素となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明素子に用いられ、改良の対象と
される基本素子構造部分のみの原理的ないし基本
的な構造図、第２図は第１図示の基本素子構造の
みに即することにより、素子電流に関して従来得
られていた負性特性の説明図、第３図は本発明の
一実施例の概略構成図、第４図は第３図示の実施
例デバイスにより得られる素子電圧対素子電流の
特性図、である。 図中、１はシリコンナイトライド膜またはシリ
コン酸化膜とシリコンナイトライド膜との二重層
から成る絶縁膜（トンネル絶縁膜）、１０は対向
領域、１００は半導体領域、１０１Ｂは本発明に
より新たに付加された制御領域としての第三領
域、１０１Ｅは第三領域に電圧を印加するための
電極、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体領域と、該半導体領域に対向する導電
   性の対向領域と、上記半導体領域および対向領域
   間に挟まれたシリコンナイトライド膜またはシリ
   コン酸化膜とシリコンナイトライド膜との二重層
   とから成り、上記半導体領域と上記対向領域間に
   所定値以上のバイアスを印加すると上記シリコン
   ナイトライド膜またはシリコン酸化膜とシリコン
   ナイトライトとの二重層を介して電流が流れる半
   導体デバイスにおいて； 上記対向領域と対向する半導体領域部分から少
   数キヤリアの到達距離以内の半導体領域の位置に
   上記半導体領域に対して整流性の接合を形成する
   第三の領域を設け、該第三の領域を、上記対向領
   域と半導体領域間の電圧対電流特性を制御する制
   御領域としたことを特徴とする半導体デバイス。