JPH0758760B2 - 相補型半導体装置 - Google Patents

相補型半導体装置

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JPH0758760B2
JPH0758760B2 JP60122226A JP12222685A JPH0758760B2 JP H0758760 B2 JPH0758760 B2 JP H0758760B2 JP 60122226 A JP60122226 A JP 60122226A JP 12222685 A JP12222685 A JP 12222685A JP H0758760 B2 JPH0758760 B2 JP H0758760B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速動作の半導体装置、特に相補型の半導体装
置に関する。
〔従来の技術〕 近年、高速コンピュータ用素子として、超高速素子の研
究開発が盛んである。このような超高速素子の中で、大
きな電流駆動能力を有するものとして、バイポーラトラ
ンジスタが注目されている。特にGaAs等化合物半導体を
用いた高性能バイポーラトランジスタとして、エミッタ
にベースよりバンドギャップの大きい半導体を用いた、
いわゆるヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)および
そのIC化が研究されている。例えば、1981年国際電子デ
バイス会議(Int′1 Electron Devices Meeting)ダイ
ジェスト,629頁から632頁にあるように、ベースにGaAs
を、エミッタにAlGaAsを用いたnpn型が良く研究されて
いる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、HBTでは構造およびプロセスが極めて複
雑であり、高集積化には多くの問題点を残している。ま
た特にコレクターベース間容量が大きく、高速性も限定
されている。さらに高集積化には、相補型構成のメリッ
トが大であるが、正孔をキャリアとするpnp型は得られ
ていないのが現状であり、まして相補型の装置を得るの
は困難な状況にある。
本発明の目的は、電流駆動能力が大きく、かつ高速で、
構造の簡単な、超高速,高集積ICに適した新規な相補型
半導体装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明は、高抵抗基板上に
低不純物密度のチャネルからなる第1の半導体層と、そ
の上に、第1の半導体層より電子親和力が小さく、か
つ、電子親和力とバンドギャップの和の大きい低不純物
密度の第2の半導体層とを有し、第2の半導体層上に形
成された正孔注入電極と、その両側の1対の電子チャネ
ルへのオーム性電極とからなるnチャネルトランジスタ
と、第2の半導体層上に形成された電子注入電極と、そ
の両側の1対の正孔チャネルへのオーム性電極とからな
るpチャネルトランジスタとから構成したものである。
また、上記目的を達成するために、本発明は、高抵抗基
板上に第1の半導体層より電子親和力が小さく、かつ、
電子親和力とバンドギャップの和の大きい高抵抗の第3
の半導体層と、その上に、低不純物密度のチャネルから
なる第1の半導体層と、更にその上に、第1の半導体層
より電子親和力が小さく、かつ、電子親和力とバンドギ
ャップの和の大きい低不純物密度の第2の半導体層とを
有し、第2の半導体層上に形成された正孔注入電極と、
その両側の1対の電子チャネルへのオーム性電極とから
なるnチャネルトランジスタと、第2の半導体層上に形
成された電子注入電極と、その両側の1対の正孔チャネ
ルへのオーム性電極とからなるpチャネルトランジスタ
とから構成したものである。
〔作用、原理〕
第1図は、本発明による半導体装置の基本構造を示すも
のである。ここで11は高抵抗基板、12は低不純物密度の
第1の半導体層、例えばアンドープInGaAs層、13は第1
の半導体より電子親和力が小さく、かつ電子親和力とバ
ンドギャップの和の大きい低不純物密度の第2の半導体
層、例えばInAlAs層、14はp+領域、15はn+領域、16,17
は電子チャネルにオーム性の一対の電極で、例えばn+−
InGaAs領域16a,17aと、Au−Geオーム性電極16b,17bとよ
りなる電極、18,19は正孔チャネルにオーム性の一対の
電極で、例えばp+−InGaAs領域18a,19aとAu−Znオーム
電極18b,19bとよりなる電極、20はp+領域14へのオーム
性電極、21はn+領域15へのオーム性電極で、p+領域14お
よび電極20とで正孔の注入電極を成し、n+領域15と電極
21とで電子の注入電極を成す。第2図および第3図は電
極20下におけるバンドダイヤグラムを示すもので、それ
ぞれ熱平衡状態および電極20に正電圧を印加して正孔を
注入した場合を示す。また第4図および第5図は電極21
下におけるバンドダイヤグラムを示すもので、それぞれ
熱平衡状態および電極21に負電圧を印加して電子を注入
した場合を示す。ここでEC,EF,EVはそれぞれ伝導帯下
端,フェルミレベル,価電子帯上端のエネルギーレベル
を表わす。
さて第3図のように、第2の半導体層13から、第1の半
導体層12にかけて正孔を矢印のように注入すると、電荷
中性となる様に電子が誘起されるが、第2の半導体層13
のほうが第1の半導体層12より電子親和力が小さいた
め、この電子はエネルギー的に低い、該第1と第2の半
導体層12,13のヘテロ界面の第1の半導体層側に蓄積さ
れ電子チャネルを形成する。この量は正孔の注入量を増
すほど増加し、導電性が極めて増大される。一方第5図
に示すように、電子を注入した場合も同様に正孔が誘起
される。この場合も第2の半導体層13のほうが、第1の
半導体層12より、電子親和力とバンドギャップとの和が
大きいため、この正孔もエネルギー的に低い該第1と第
2の半導体層12,13のヘテロ界面の第1の半導体層12側
に蓄積される。この量はやはり電子の注入量を増すほど
増加し、導電性が極めて増大される。すなわち、同一の
半導体ヘテロ接合界面に高導電度の電子チャネルおよび
正孔チャネルが形成されることが解る。
ここで、これら電子チャネルおよび正孔チャネルを用い
る相補型インバータを構成し、電源電圧を印加した場合
を第6図に示す。ここで、電極19bは正の電源に、電極1
6bは接地される。また31はインバータの入力、32はイン
バータの出力である。ここでは注入されたキャリアとチ
ャネルのキャリアとの動きを矢印で示す。まず入力31に
正電圧(Hレベル)が印加された場合を考える。この
時、電極20からは正孔が電極16のほうに向かって注入さ
れ、電子チャネルが第1の半導体層12中に形成される。
この電子はn型の電極16と17との間の電界で電極17の方
へ加速され、電極16と17間は大電流が流れ、オン状態と
なる。一方電極21からは電子は注入されず、電極18と19
間には正孔チャネルは形成されず、オフ状態である。す
なわちインバータの出力は零電位付近でLレベルとな
る。次に入力31が零電位(Lレベル)になった時には、
以上とは逆に電極21から電子が電極19の方に向かって注
入され、正孔チャネルが、第1の半導体層12中に形成さ
れる。この正孔は、p型の電極18と19との間の電界で電
極18の方へ加速され、電極18と19間は大電流が流れてオ
ン状態となる。一方電極20からは正孔は注入されず、電
極16と17間には電子チャネルは形成されず、オフ状態で
ある。すなわちインバータの出力は電源電圧付近でHレ
ベルとなる。以上により良好なインバータ動作が実現さ
れる。
さて、かかる動作状態において、電流の変調モードは、
正孔あるいは電子の注入による反対キャリアの誘起によ
る導電度変調であるが、チャネルは電界効果トランジス
タ(FET)的である。すなわち、チャネルはヘテロ接合
界面のバリアを利用した2次元的チャネルであり、しか
もチャネルの第1の半導体層12が低不純物密度であるた
め、正孔チャネルであってもチャネルは極めて高速であ
る。しかも構造はFETとほぼ同様なプレーナ型である。
また電極20と電極17間および電極21と電極18間の第2の
半導体層13はFETと同様に空乏化しており、従ってこれ
ら電極間の帰還容量は小さい。すなわち本装置により、
2次元チャネルを有するFETと同様な構造の簡単さ,高
速性,小さな寄生抵抗および寄生容量をさらに、バイポ
ーラトランジスタ並の大電流駆動能力を、電子チャネル
素子および正孔チャネル素子とも有し、高性能な相補型
集積回路を実現するものである。
ここで各チャネルの電流増幅率は、チャネルが高速であ
る程および、注入された電子あるいは正孔のチャネル域
からの流出が少い程大きくなる。このため、電流増幅率
を改善する方法として、第7図のように、チャネルの第
1の半導体層12に接して、第2の半導体層13の反対側
に、第1の半導体より、電子親和力が小さく、かつ電子
親和力とバンドギャップの和の大きい高抵抗の第3の半
導体層41、例えばアンドープInAlAsを設けることが有効
である。この場合の正孔を注入した場合と、電子を注入
した場合とのバンドダイヤグラムをそれぞれ、第8図と
第9図に示す。この場合は注入正孔あるいは注入電子は
第3の半導体層41によるバリアのために、結晶の奥の方
(基板側)へ流出することがない。さらに電子チャネル
および正孔チャネルも第3の半導体層41によるバリアに
よって拡がることがなく、高速性が増し、電流増幅率が
改善される。またこの時出力抵抗も大きくなる効果もあ
る。
〔実施例〕
以下に本発明の実施例を示す。
(実施例1) 第1図において、基板11としてFe−ドープ半絶縁性InP
基板を用い、MBE法にて第1の半導体層12としてキャリ
ア密度1×1015cm-3厚さ3000Åのアンドープn-−In0.53
Ga0.47As層、第2の半導体層13として、キャリア密度1
×1015cm-3、厚さ1000ÅのアンドープIn0.52Al0.48As層
を成長する。Siのイオン注入によりn+−InGaAs領域16a,
17aを、またZnのイオン注入によりp+−InGaAs領域18a,1
9aを形成する。さらにCdの低エネルギーイオン注入によ
りp+−InAlAs14を、Snの低エネルギーイオン注入により
n+−InAlAs15を表面から700Åの深さまで形成する。次
いで電極16b,17b,18b,19b,20,21をAuGe/Ptを蒸着して形
成する。以上のように製作した相補型トランジスタを用
いて、第6図のように形成したインバータ回路は、Hレ
ベル+1V,Lレベル0.1Vで良好に動作し、また各トランジ
スタの相互コンダクタンスは電極幅当り2000ms/mm以上
の高電流駆動能力があった。
(実施例2) 第7図において、本実施例では実施例1に用いた、第1
の半導体層12のInGaAs層を200Åと薄くし、これを第3
の半導体層41として、キャリア密度5×1014cm-3以上、
抵抗率104Ω・cm以上の高抵抗In0.52Al0.48As層を5000
Åの基板11側に入れたものである。これにより、実施例
1の構造に較べて電流増幅率、相互コンダクタンス、出
力抵抗が向上した。
〔発明の効果〕
以上の様に本発明によれば、FETと同様な簡単な構造
で、高電流動作可能な相補型半導体装置が実現され高
速,高集積,低消費電力の高性能ICを実現できる効果を
有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による半導体装置の基本構造を示す断面
図、第2図,第3図は第1図の半導体装置の電極20下に
おけるバンドダイヤグラムを示す図、第4図,第5図は
第1図の半導体装置の電極21下におけるバンドダイヤグ
ラムを示す図、第6図は第1図の半導体装置に電源電圧
を印加した場合の断面図、第7図は電流増幅率を改善し
た場合の半導体装置の構造を示す断面図、第8図,第9
図は、第7図の半導体装置に正孔を注入した場合と、電
子を注入した場合とのバンドダイヤグラムをそれぞれ示
す図である。 11:高抵抗基板、12:第1の半導体層、13:第2の半導体
層、14:p+−領域、15:n+−領域、16,17:n型オーム性電
極、18,19:p型オーム性電極、20:正孔注入用電極、21:
電子注入用電極、31:インバータ入力、32:インバータ出
力、41:第3の半導体層。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/8232 29/778 29/812 7210−4M H01L 27/06 F

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高抵抗基板上に低不純物密度のチャネルか
    らなる第1の半導体層と、その上に、第1の半導体層よ
    り電子親和力が小さく、かつ、電子親和力とバンドギャ
    ップの和の大きい低不純物密度の第2の半導体層とを有
    し、第2の半導体層上に形成された正孔注入電極と、そ
    の両側の1対の電子チャネルへのオーム性電極とからな
    るnチャネルトランジスタと、第2の半導体層上に形成
    された電子注入電極と、その両側の1対の正孔チャネル
    へのオーム性電極とからなるpチャネルトランジスタと
    から構成されていることを特徴とする相補型半導体装
    置。
  2. 【請求項2】高抵抗基板上に第1の半導体層より電子親
    和力が小さく、かつ、電子親和力とバンドギャップの和
    の大きい高抵抗の第3の半導体層と、その上に、低不純
    物密度のチャネルからなる第1の半導体層と、更にその
    上に、第1の半導体層より電子親和力が小さく、かつ、
    電子親和力とバンドギャップの和の大きい低不純物密度
    の第2の半導体層とを有し、第2の半導体層上に形成さ
    れた正孔注入電極と、その両側の1対の電子チャネルへ
    のオーム性電極とからなるnチャネルトランジスタと、
    第2の半導体層上に形成された電子注入電極と、その両
    側の1対の正孔チャネルへのオーム性電極とからなるp
    チャネルトランジスタとから構成されていることを特徴
    とする相補型半導体装置。
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JPS5893380A (ja) * 1981-11-30 1983-06-03 Fujitsu Ltd 半導体装置
JPS58147169A (ja) * 1982-02-26 1983-09-01 Fujitsu Ltd 高電子移動度トランジスタの製造方法

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