JPH0612816B2 - ホツトエレクトロントランジスタ - Google Patents

ホツトエレクトロントランジスタ

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JPH0612816B2
JPH0612816B2 JP62005068A JP506887A JPH0612816B2 JP H0612816 B2 JPH0612816 B2 JP H0612816B2 JP 62005068 A JP62005068 A JP 62005068A JP 506887 A JP506887 A JP 506887A JP H0612816 B2 JPH0612816 B2 JP H0612816B2
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JP62005068A
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靖寛 白木
卓 大嶋
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D48/00Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
    • H10D48/30Devices controlled by electric currents or voltages
    • H10D48/32Devices controlled by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H10D48/36Unipolar devices
    • H10D48/362Unipolar transistors having ohmic electrodes on emitter-like, base-like, and collector-like regions, e.g. hot electron transistors [HET], metal base transistors [MBT], resonant tunnelling transistors [RTT], bulk barrier transistors [BBT], planar doped barrier transistors [PDBT] or charge injection transistors [CHINT]

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  • Bipolar Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高速動作が可能でかつ電流利得の大きな新型
ホットエレクトロントランジスタに関するものである。
〔従来の技術〕
超高速動作の可能な新しいトランジスタとしてホットエ
レクトロントランジスタ(以下HETと略称する)が提
案されている。第2図にHETの原理を示すエネルギー
バンド構造の概念図を示す。電子26は、エミッタ21
側より第1のバリア層(エミッタバリア層)22(AlG
aAs)トンネル効果により通り抜けてベース層23
(GaAs)に入る。この電子は、ベース層の伝導体の
底よりも高いエネルギー状態にあるので、ホットエレク
トロンと呼ばれる。この高いエネルギーのままでベース
層を走行する電子は、第2のバリア層(コレクタバリア
層)24を乗りこえて、コレクタ25に流入することが
できる。この電子流を、各電極間にかけた電圧によって
制御するのがHETである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記HETは、ベース領域での電子がエネルギーをでき
るだけ失なわず、ホットな状態でコレクタ側へ到達でき
るようにすることが重要である。そのためにベース層の
厚みを薄くすることが試みられているが、これには技術
的な困難さを伴うばかりでなく、原理的にも限界があ
る。
本発明は、このHETの欠点を解決するためにベース層
を特別な構造にし、電子がエネルギーを失う確率を下
げ、ベース層での電子の透過率を大幅に増大させようと
するものである。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、ベース領域に量子井戸を設けることにより
達成される。
上記目的はさらに、上記量子井戸中の量子準位の1つ
と、上記バリア層の伝導帯の底の準位とをkT/2以内
の差で一致させることにより達成される。
〔作用〕
半導体のダブルヘテロ構造において、間にはさまれたエ
ネルギーギャップの狭い半導体の層厚を薄くするとサイ
ズ量子効果が生ずることはよく知られており、このよう
な構造は量子井戸と呼ばれている。すなわちこの量子井
戸内では、電子のエネルギーはもはや連続ではなくな
り、離散的なエネルギーをとるようになる。すなわち、
バンドの底から測った量子準位ΔEは、井戸幅をLw
とすると、 と近似できる。ここでnは整数であり、井戸の深さは十
分深いと近似している。現実のヘテロ構造では井戸の深
さは有限ΔEであるので、厳密にはこれを考慮しなけ
ればならず、上式は補正されなけばならい。
ところで、GaAs/AlGaAs系における量子井戸
からの発光効率を調べてみると、発光効率は、井戸幅を
変えることにより、第3図に示すように周期的に変化す
ることが見出されている(三島他、英国物理学会プロシ
ーディングシリーズ 79 第8章(T. Mishima et a
l.,Inst.Phys.Conf.Ser.No.79:Chap.8(1986)
p445))。
これは、バリア層(AlGaAs)に形成されたキャリ
アが量子井戸中にとり込まれるのに、井戸幅依存性があ
ることを示している。そして、このキャリアのとり込み
は、量子準位ΔEがバリア層の伝導帯の底にほぼ一致
(±kT/2程度)した場合に極少値をとることがわか
った。この一致した状態を共鳴状態と呼びΔEで表わ
す。
本発明は、このキャリアの取り込み効率が量子井戸幅に
大きく依存することをHETに応用し、HETの電流利
得を改善しようとするものである。すなわち、第2図に
おけるベース層23の幅すなわち井戸幅を上記共鳴状態
ΔE(±kT/2)にすると、ベース層へ注入された
電子は伝導帯の底へ落込みにくく、従って電子の透過効
率を上げることができる。また、第4図に示すようにベ
ース層41を単一層ではなく、複数個の量子井戸42を
有する構造とし、すべてを共鳴状態にしておくと、ベー
ス層の厚さを厚くしたままで電子の透過効率を高くする
ことが可能となる。HETの欠点の一つは、先に述べた
ように、電子の透過効率を上げるためにはベース層を薄
くしなければならないことであり、ベース層を薄くした
場合にはベース電極を形成することが大変困難となる。
本発明のようなベース層を用いれば、ベース層厚も十分
厚いので電極形成が容易になる。
なお、量子井戸を複数個用いる場合には、井戸間の相互
作用が十分無視できる程度に離しておく必要がある。こ
れは、もし相互作用があると量子準位が大幅に変化し、
単一の井戸の場合に考察したキャリアのとり込み条件が
変るためである。相互作用が無視できる距離とは、具体
的には電子のド・ブロイ波長以上の距離である。
次に、この量子井戸の井戸幅をどのように選定するかに
ついて述べる。
HETのトランジスタ動作時には、エミッタ・ベース間
あるいはベース・エミッタ間に電圧をかける。この電圧
印加によって、量子井戸のポテンシャルが変化するため
に、共鳴条件もわずかながら変化する。また、ベース層
を形成する場合には、その厚さに多少のバラツキが生じ
ることは避けられない。従って、温度による準位変動±
KT/2を考慮して量子準位ΔEがΔE±KT/2
内に十分入って入ることが必要である。
なお、本発明においては、量子井戸の幅を共鳴条件にす
ることが重要であるが、この共鳴条件が外部電界によっ
ても変化することに注意を要する。先に式で示した量子
準位は外部電界のない場合であり、従って外部電界をか
けた場合にはその共鳴条件も変化する。そこで、量子井
戸の幅を外部電界のない時の共鳴条件にしておいてトラ
ンジスタを構成し、ある特定の電圧を印加することによ
り共鳴条件を破るようにすれば、電流変調を大きくする
ことができる。また逆に、電界のない時には非共鳴状態
とし、外部電界をかけると共鳴条件になるようにするこ
ともまた可能である。
〔実施例1〕 以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。n型
GaAs基板を十分清浄した後、分子線エピタキシー
(MBE)装置に導入する。十分真空がよくなった後、
通常のMBE方と同様に、Asビームを照射しながら基
板を加熱クリーニングする。その後、基板温度を約58
0℃に設定し、GaおよびSiビームのシャッターを開
けて、n−GaAs層の成長を開始する。この時の不純
物濃度はほぼ1×1018cm-3である。これによりn−G
aAs基板11が形成される。次にSiシャッターを閉
じ、Alシャッターをあけて、コレクタバリア層として
ノンドープのAlGaAs層(組成比0.3)12を3
000Å成長した。次にベース領域13を以下のように
形成した。Alシャッターを閉じ、Siシャッターを開
け、n−GaAs量子井戸層を、組成比0.3のAlG
aAsに対して共鳴状態となる厚さである95Å厚に成
長した。この際、膜厚精度が±3Å以下になるよう十分
注意した。
次にエミッタ・バリア層としてノンドープのAlGaA
s層14を200Å形成し、最後にエミッタ15として
5×1017cm-3SiをドープしたGaAs層を3000
Å、さらに濃度2×1018cm-3に上げて1000Å成長
した。
次に基板をMBE装置よりとり出し、第5図に示すよう
に裏面にAu/AuGe/Niのオーミック電極を形成
し、CClによるリアクティブイオンエッチング
によりエミッタとなるべき領域のみを残してGaAsを
エッチした。さらにAlGaAs層をウェットエッチし
てベース部13を露出させ、ベース部13およびエミッ
タ部15にAu/AuGe/Niにより電極56,57
を形成させて素子を作製した。
このようにして作製したHETは、ベース層がほぼ同じ
厚さであるが共鳴条件からはずれた従来型のものに較べ
て、電子の透過率は30%以上改善された。
〔実施例2〕 本実施例ではベース領域に複数個の量子井戸を形成し、
エース幅を厚くした場合について述べる。
コレクタバリア層までは実施例1と同様に形成した後、
ベース層を以下のように形成した。
第6図に示すように膜厚48Åの量子井戸となるGaA
s層63を形成し、次にベーうバリアとなるAlGaA
s層64を200Å厚形成しさらにGaAs層48Å形
成する。GaAs層の厚さはほぼ共鳴条件を満す厚さで
あり、AlGaAs層は、量子井戸間の相互作用がほと
んど無視できる程度になっている。また、ベース層とな
るように、Siを不純物として1×1018cm-3程度ベー
ス層全域にドープしてある。このGaAs層とAlGa
As層の形成をくり返してGaAsの量子井戸を5層形
成した。4層のバリア層と合せたベース層全体の厚さは
1040Åとなる。
ベース層形成後は、実施例1の場合と同様の方法でエミ
ッタバリア層65及びエミッタ66を作り、さらに加工
を施して、HETとした。
このようにして作製したHETでは、実施例1のものよ
りもさらにベース幅が広くとれるため、電極形成がさら
に容易で、かつベース抵抗が実施例1の場合よりも1桁
近く下るという効果がある。
〔実施例3〕 実施例1においては、ベース層の厚さを、ベース層の量
子井戸が共鳴状態となる条件にして、その共鳴条件下で
HETを動作させた。本実施例においては、このベース
層の厚さを98〜100Åに設定し、共鳴状態と、その
状態からはずれた状態の境界近くにした。この結果、第
7図(a)に示すようにベース・エミッタ電圧VBEがあ
る値を超えると、ベース層中のホット・エレクトロンの
透過率Tが下がる領域ができた。コレクタ電流は、エミ
ッタからのトンネル電流の注入量と、ベース層中の透過
率の積に依存する。そのため第7図(b)に示すよう
に、ベース・エミッタ電圧VBEを上げて行くと、ある電
圧まではコレクタ電流が増加し通常のHETと同様の動
作モードとなり、その電圧をこえると、逆にコレクタ電
流が減少し、先とは逆の動作モードとなるHETを得
た。すなわち、このようにして得られたHETは、ベー
ス層中のホット・エレクトロンの透過率を、通常のHE
Tのそれに比べて、0〜30%の範囲で変調して動作す
ることができ、高速応答性、電流利得共に良好なHET
が得られる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、HETにおける電子の透過率は30%
以上の改善がみられ、電流利得もこれに対応して改善さ
れるという効果を奏する。また、ベース層を極端に薄く
する必要がなくなるために、電極形成が容易になるとい
う効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例におけるHETの構造を示す
図、第2図はHETの原理を示すエネルギーバンド構造
の概念図、第3図は量子井戸幅を変えた場合の発光効率
の変化を示す図である。第4図は本発明の他の実施例に
おける複数の井戸を有するHETの原理を示すエネルギ
ーバンド構造の概念図、第5図は本発明の一実施例にお
けるHETの完成図である。第6図は本発明の他の実施
例におけるHETの構造を示す図、第7図はVBEを変化
させた場合の透過率及びコレクタ電流の変化を示す図で
ある。 11……n−GaAs基板(コレクタ)、12……コレ
クタバリア層、13……ベース層、14……エミッタバ
リア層、15……エミッタ、21……エミッタ、22…
…エミッタバリア層、23……ベース層、24……コレ
クタバリア層、25……コレクタ、41……ベース層、
42……電子井戸、56……ベース電極、57……エミ
ッタ電極、61……n−GaAs基板(コレクタ)、6
2……コレクタバリア層、63……量子井戸、64……
ベース層バリア、65……エミッタバリア層、66……
エミッタ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2種類以上の半導体結晶からなり、 エミッタ領域とベース領域と、該エミッタ領域と該ベー
    ス領域の間に設けられたバリア層を有し、 上記エミッタ領域から注入された電子が、上記バリア層
    をトンネル効果により通過し、上記ベース領域をホット
    エレクトロン状態で通過することにより動作する如くに
    形成されてなるホットエレクトロントランジスタにおい
    て、 上記ベース領域には少なくとも1つの量子井戸を有し、 上記量子井戸における伝導帯の底のエネルギー準位が上
    記バリア層における伝導帯の底のエネルギー準位より低
    く形成されてなり、 上記量子井戸中に形成される量子準位の1つが上記バリ
    ア層における伝導帯の底のエネルギー準位とほぼ一致す
    るように、上記量子井戸の幅が定められてなることを特
    徴とするホットエレクトロントランジスタ。
  2. 【請求項2】上記ベース領域には上記量子井戸が複数個
    設けられてなり、各々の上記量子井戸間における電子の
    相互作用が十分無視できる程度に、各々の上記量子井戸
    が互いに離れて形成されてなることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載のホットエレクトロントランジス
    タ。
JP62005068A 1987-01-14 1987-01-14 ホツトエレクトロントランジスタ Expired - Lifetime JPH0612816B2 (ja)

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JPS59208873A (ja) * 1983-05-13 1984-11-27 Agency Of Ind Science & Technol 半導体装置
JPS6154665A (ja) * 1984-08-24 1986-03-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体装置及びその製造方法
JPH0758774B2 (ja) * 1984-10-26 1995-06-21 工業技術院長 半導体装置
JPH0783100B2 (ja) * 1985-06-14 1995-09-06 エイ・ティ・アンド・ティ・コーポレーション 共鳴トンネルトランジスタ

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