JPH0573354B2 - - Google Patents

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JPH0573354B2
JPH0573354B2 JP62249452A JP24945287A JPH0573354B2 JP H0573354 B2 JPH0573354 B2 JP H0573354B2 JP 62249452 A JP62249452 A JP 62249452A JP 24945287 A JP24945287 A JP 24945287A JP H0573354 B2 JPH0573354 B2 JP H0573354B2
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JP
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electron affinity
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Hideo Toyoshima
Juji Ando
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は半導体装置、特に超高速、新機能素子
の利用分野で高性能を発揮する共鳴トンネリング
効果を利用した高速半導体装置に関する。
(従来技術) 共鳴トンネリング現象は電子の通過に要する遅
延時間が著しく小さく、かつ顕著な微分負性抵抗
を示すことから、超高速・新機能素子への応用が
極めて有望であり、各所で研究開発が行われるよ
うになつてきた。
第5図は横山等によりジヤパニーズ・ジヤーナ
ル・オブ・アプライド・フイズイクス(Jpn.J.
Appl.Phys.)、vol.24No.11、pp.L853−L854に報告
されている共鳴トンネリング・ホツトエレクトロ
ン・トランジスタ(RHET)の動作を示すエネ
ルギー帯図である。
第6図はキヤパソ(Capasso)等により、ア
イ・イー・イー・イー・エレクトロン・デバイ
ス・レターズ(IEEE Electron Device
Letters)、vol.EDL7、No.10、pp.573−576に報告
されている共鳴トンネリング・バイポーラ・トラ
ンジスタ(RBT)の動作を示すエネルギー帯図
である。
RHET、RBTはいずれも量子井戸層に形成さ
れる量子化準位Eeを介した電子の共鳴トンネリ
ングを注入源として用いることによつて、負の伝
達コンダクタンスを実現することを特徴としてい
る。
(発明が解決しようとする問題点) 第5図に示したRHETは、そのベース領域を
電子がホツトな状態でバリステイツクに通過する
ため超高速動作が期待される。しかしながら、量
子井戸エミツタから注入された電子の大部分はベ
ース層で谷間散乱などの種々の散乱を受けるた
め、運動エネルギーも失い、コレクタ障壁を乗り
越えることができなくなる。ベース中での散乱を
少なくするためには、ベース領域を電子の平均自
由行程以下に薄くする必要があるが、その場合ベ
ース中のシートキヤリアが減少し、ベース抵抗が
増大する他、製造プロセス上もベース・コンタン
トの形成が極めて困難となる。このため、
RHETでは電流利得が1〜5程度と小さい。ま
た、室温ではコンタクト障壁を乗り越える熱電子
のため、ベース・コレクタ間のリーク電流が大き
く室温動作は困難である。
一方、第8図に示したRBTでは、コレクタ障
壁のかわりに、逆バイアスされたp−n接合が用
いられている。注入された電子はRHET同様、
ベース中で散乱を受け、エネルギーを失うが、コ
レクタ障壁が存在しないため、かなりの電子がコ
レクタに到達できる。しかしながら、RBTでは
ベース層に正孔濃度1019cm-3台の高濃度層を用
い、しかもその厚さは1000Å程度であるため、電
子は主に不純物散乱、谷間散乱を受け、ホツトエ
レクトロンではなくなり、電子のベース走行時間
が長くなる。
本発明の目的は、これらの種々の問題を解消
し、共鳴トンネル現象を利用した負性伝達コンダ
クタンスを有し、室温においても超高速動作が可
能な、高速半導体装置を提供することである。
(問題点を解決するための手段) 本発明によれば、電子(又は正孔)の共鳴準位
が形成される量子井戸層を有し、該量子井戸層を
挟んで、一方には、該量子井戸層の障壁層より、
電子親和力が大きく、かつ電子親和力とバンドギ
ヤツプの和が小さい第1の半導体層および該第1
の半導体層より電子親和力とバンドギヤツプの和
が大きく(又は電子親和力が小さく)、少なくと
も1層のN型(又はP型)導電層を含む第2の半
導体層が順次形成され、前記量子井戸層を挟ん
で、前記第1、第2の半導体層と他方には、前記
量子井戸層の障壁層より電子親和力が大きく(又
は電子親和力とバンドギヤツプの和が小さく)、
少なくとも1層のN型(又はP型)導電層を含
む、第3の半導体層が形成され、前記第1の半導
体層中に誘起される二次元正孔ガス(又は二次元
電子ガス)にオーミツク接触するコンタクト層を
有し、前記第2、第3の半導体層中のN型(又は
P型)層にはオーミツク電極がそれぞれ形成され
たことを特徴とする半導体装置が得られる。
(作用) 以下、本発明の作用を詳細に説明する。第1図
は本発明による高速半導体装置の基本構造断面図
で、第2図a,bは対応するエネルギー帯図であ
る。図において、9はN+GaAs基板、11はノン
ドープGaAs量子井戸層、12a,12bはノンド
ープAlxGa1-xAs障壁層、13はN型AlyGa1-yAs
層、14はN型GaAs層、15はInzGa1-zAs層、
16はP+コンタクト領域、10a,10b,10c
はそれぞれエミツタ、コレクタ、ベースのオーミ
ツク電極である。ノンドープAlxGa1-xAs層12
a,12b及びN型AlyGa1-yAs層13においては、
0≦y<x<1の関係を満たすことが必要であ
る。第2図aは、半導体装置の熱平衡状態におけ
るエネルギー帯図であり、第2図bは、バイアス
印加時におけるエネルギー帯図である。第2図b
に示す様に、ベース電極10# c、エミツタ電極
10a間にN−GaAs層14のバンドギヤツプ程度
の電圧を加えることにより、InzGa1-zAs層15
に二次元正孔ガスが誘起される。誘起された正孔
ガスは、P+コンタクト領域16を介して、ベー
ス電極10# cにオーム性接触する。
また、第2図aに示すように、量子井戸層11
内には量子化準位Eeが形成される。ここで、量
子井戸の厚みをLとすると、基底状態における
Eeの伝導帯下端(Ec)から測つたエネルギー値
は下式: Ee=h2/8m*・1/L2 (1) で表される。ここに、hはプランク(Planck)
定数、m*は量子井戸層における電子の有効質量
である。したがつて、Lを適当に選んでおくこと
により、第2図bに示すように、反転層が形成さ
れたバイアス状態において、量子化準位Eeを介
した共鳴トンネリングを生じることが可能とな
る。共鳴トンネリングによつて注入された電子
は、二次元正孔が誘起されることにより形成され
たベース領域を、ホツトエレクトロンとなつて通
過し、コレクタ空乏層を通り、コレクタ電極に到
達する。本発明では、従来例で述べたRHETに
おいて、電子の走行の妨げとなつたコレクタ障壁
が存在しないので、注入された全ての電子がコレ
クタに到達し、極めて高い電流利得が得られる。
また、ベース・コレクタ間は逆バイアスされたP
−N接合となつており、リーク電流が小さく、室
温動作が可能となる。ここでInzGa1-zAs層15
のIn組成zは0≦z≦1であり、In組成zを増加
させると、AlxGa1-xAs障壁層13とInzGa1-zAs
層15との間の、正孔に対する障壁高さは大きく
なり、従つて誘起される二次元正孔ガスは高濃度
にすることができる。さらに、二次元正孔ガスは
InzGa1-zAs層15をRBTの如くP型ドープして
形成したものであつて、InzGa1-zAs層15がア
ンドープあるいはN型であつてもエミツタ、ベー
ス電極にバイアス印加し、正孔が蓄積されて形成
されたものであるため、得られる高い正孔濃度に
も拘わらず、大きな正孔移動度を有し、従つてベ
ース抵抗は充分に低減される。しかも反転層の厚
みは100Å以下と極めて薄いため、RBTに比べ共
鳴トンネリングにより注入された電子のベース走
行時間は極めて短かくなる。以上より、本発明に
よれば負性伝達コンダクタンスを有し極めて良好
な特性を持つ超高速半導体素子を得ることができ
る。
以上電子の共鳴トンネルの場合について説明し
たが、正孔の共鳴トンネルの場合も同様である。
すなわちこの場合、第3図に示す様に、第1図の
13をP−AlyGa1-yAs層23に、14をP型
GaAs層24に、16をN+コンタクト26に、9
をP+GaAs基板29に置き換えれば良い。この時
の熱平衡状態におけるエネルギー帯図は第2図a
の様になり、量子井戸11内には正孔の量子化準
位Ehが形成される。バイアス印加時には第4図
に示す様に、Ehを介した共鳴トンネリングによ
つて注入された正孔は、InzGa1-zAs層25に誘
起された2次元電子により形成されたベース層上
をバリアステイツク通過する。この場合も、2次
元電子はIn組成zを大きくすることにより濃度を
大きくでき、かつ高移動度であるため、極めて薄
く、かつ低抵抗のベース層として作用する。
(実施例) 本発明の実施例を説明する。第1図は本発明に
よる高速半導体装置の実施例の構造断面図であ
り、以下の様にして作製される。まずN+GaAs基
板49上に例えば、分子線エピタキシー法
(MBE法)により、不純物濃度1×1016cm-3のSi
ドープN−GaAs層14を1μm、ノンドープIn0.3
Ga0.7As層を80Å成長し更に、ノンドープAlAs障
壁層12bを30Å、ノンドープGaAs量子井戸層1
1を50Å、ノンドープAlAs障壁層12を30Å、
不純物濃度5×1017cm-3のN−Al0.3Ga0.7As層1
3を順次成長する。尚本実施例では、エミツタコ
ンタクト抵抗を低減するため、N−Al0.3Ga0.7As
13上に、更に不純物濃度5×1018cm-3の
N+GaAs層0.4μmをも成長した。
ここでノンドープInzGa1-zAs15のIn組成z
は、大きく取る方がベース抵抗低減のために有効
であるが、GaAsとInGaAsは格子定数が異なる
ので、これに基づく転位が発生せず、InGaAs層
がいわゆる歪層となり、良好な結晶性が得られる
様、本実施例ではIn0.3Ga0.7As層厚80Åを用いた。
次に、通常の方法で、N+GaAs層13上に、エ
ミツタ電極10aを形成し、これをマスクとして、
成長層をN−In0.3Ga0.7Asが露出する直前までエ
ツチング除去する。さらにエミツタ電極10aを
マスクとしてイオン注入しアニールにより活性化
することにより、P+コンタクト領域16を形成
する。最後に、通常の方法でオーミツク電極10
b,10# cを形成した。
また正孔の共鳴トンネリングを用いた場合の実
施例は、第3図に示す様に、第1図において示し
た実施例におけるN+GaAs基板9をP+GaAs基板
29に、N−GaAs層14をP−GaAs層24に、
またN−Al0.3Ga0.7As層13をP−Al0.2Ga0.8As
層23に置き換えてMBE成長し、他は同様のプ
ロセスにより作製した。以上の実施例では
AlGaAs/GaAs系を用いて本発明の半導体装置
を実現したが、本発明はこれらの材料系に限られ
ることなく、例えばSi/Ge系、GaAs/Ge系、
InGaAs/AlInAs系等の組み合せでも実現するこ
とができる。
(発明の効果) 以上の説明から明らかな様に、本発明によれ
ば、共鳴トンネリングに起因する負の伝達コンダ
クタンスを有し、高い電流駆動能力を持つ超高速
半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明における実施例の基本構造断
面図、第2図は、第1図に示した実施例に対応し
たエネルギー帯図、第3図は、他の実施例の基本
構造断面図、第4図は、第3図に示した実施例に
対応したエネルギー帯図である。第5図および第
6図は、各々従来の共鳴トンネリング・ホツトエ
レクトロントランジスタおよび共鳴トンネリン
グ・バイポーラトランジスタのエネルギー帯図で
ある。 図において、9……N+GaAs基板、10a,1
0b,10# c……オーミツク電極、11……
GaAs、12a,12b……ノンドープAlGaAs、
13……N-AlGaAs、14……N-GaAs、15
……InGaAs、16……P+コンタクト領域、23
……P-AlGaAs、24……P-GaAs、25……
InGaAs、26……N+コンタクト領域、29……
P+ -GaAs基板、である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 電子(又は正孔)の共鳴準位が形成される量
    子井戸層を有し、該量子井戸層を挟んで、一方に
    は、該量子井戸層の障壁層より、電子親和力が大
    きく、かつ電子親和力とバンドギヤツプの和が小
    さい第1の半導体層および該第1の半導体層より
    電子親和力とバンドギヤツプの和が大きく(又は
    電子親和力が小さく)、少なくとも1層のN型
    (又はP型)導電層を含む第2の半導体層が順次
    形成され、前記量子井戸層を挟んで、前記第1、
    第2の半導体層と他方には、前記量子井戸層の障
    壁層より電子親和力が大きく(又は電子親和力と
    バンドギヤツプの和が小さく)、少なくとも1層
    のN型(又はP型)導電層を含む、第3の半導体
    層が形成され、前記第1の半導体層中に誘起され
    る二次元正孔ガス(又は二次元電子ガス)にオー
    ミツク接触するコンタクト層を有し、前記第2、
    第3の半導体層中のN型(又はP型)層にはオー
    ミツク電極がそれぞれ形成されたことを特徴とす
    る半導体装置。
JP62249452A 1987-09-02 1987-10-01 半導体装置 Granted JPH0191454A (ja)

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