JPH0770705B2 - 高速半導体装置 - Google Patents

高速半導体装置

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JPH0770705B2
JPH0770705B2 JP61143803A JP14380386A JPH0770705B2 JP H0770705 B2 JPH0770705 B2 JP H0770705B2 JP 61143803 A JP61143803 A JP 61143803A JP 14380386 A JP14380386 A JP 14380386A JP H0770705 B2 JPH0770705 B2 JP H0770705B2
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gaas
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/60—Impurity distributions or concentrations
    • H10D62/605—Planar doped, e.g. atomic-plane doped or delta-doped
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/20—Permanent superconducting devices
    • H10N60/205—Permanent superconducting devices having three or more electrodes, e.g. transistor-like structures 
    • H10N60/207—Field effect devices

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  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 プレーナドーピングによる近接した電子層および正孔層
からなる電子−正孔対超伝導体の電子層或いは正孔層の
一方にソース,ドレインの選択電極を設け、更にこの層
のキャリアの濃度を制御電極により制御するようにした
高速半導体装置。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、比較的高い温度で動作することができる超伝
導トランジスタの構造に関する。
〔従来の技術〕
従来、超伝導現象は、液体ヘリウム温度過程の極低温で
観察され、これを利用したデバイスは極低温に冷却する
必要があり、超伝導デバイスを利用するのに困難性があ
った。そして、実用レベルでは超伝導を用いたトランジ
スタは存在しない。研究段階では、電解効果型トランジ
スタへの超伝導のしみだし効果を用いたもの、ジョセフ
ソン接合による電子の注入を用いたものがある。いずれ
も通常のBCS論理による超伝導現象を用いたものであ
る。
ところで、最近、電子と正孔ペアの合成粒子による超伝
導機構により、比較的高い温度で超伝導効果が得られる
ことが提唱され、液体ヘリウムより高い温度でも超伝導
が起ることがわかってきた(Yu.E.Lozovik and V. I. Y
udson :Solid State Communications 19(1976)pp.391
〜393参照)。電子−正孔対における超伝導現象は、従
来のBCS論理により記述されるものとは全く異なり、論
理的には液体窒素温度以上乃至室温でも超伝導現象が期
待される。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかしながら、こまれで電子−正孔対超伝導機構につい
ては、単に現象的な検討が行なわれたのみであり、これ
までトランジスタ等の素子は実現されていない。
そこで、本発明の目的は、電子−正孔対超伝導機構を利
用したトランジスタの構造を実現することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、プレーナドーピングによる近接した電子層お
よび正孔層からなる電子−正孔対超伝導体の電子層或い
は正孔層の一方に選択的にオーミック接触するソースお
よびドレインの選択電極を備えるとともに、更に該電子
層または正孔層のキャリアの濃度を制御する制御電極を
備えることを特徴とする高速半導体装置を提供する。そ
して、更に前記電子層または正孔層のうち、ソースおよ
びドレインの選択電極がオーミックに接触する層のドー
ピング濃度をn1、他方の層のドレイン濃度をn2とすると
き、n1<n2としてなることを特徴とする高速半導体装置
を提供する。
〔作用〕
本発明の原理および作用を、第2図に示した実施例のエ
ネルギバンド構造図を用いて説明する。
第2図において、GaAs層1および5の間に絶縁性のAlAs
薄層4が介在した層構造となっており、GaAs/AlAs界面
近傍3にn型不純物がプレーナドーピングにより導入さ
れ、AlAs/GaAs界面近傍2にp型不純物が同様にプレー
ナドーピングにより導入されている。そして、界面2,3
にそって2次元的なチャネル(以下電子層3または正孔
層2という)が形成され、絶縁性のAlAs薄層を挟んで2
次元電子ガスおよび2次元正孔ガスが形成されている。
この第2図の電子層2と正孔層2の形成過程を説明する
と、3のn型不純部のプレーナドーピング層からの電子
が2のp型不純物のプレーナドーピング層に拡散してア
クセプタを埋めことにより、3のn型プレーナドーピン
グ層のドナーはイオン化し、それにより3の層の伝導帯
の端が曲り、エネルギレベルが低下する。一方2のp型
プレーナドーピング層の価電子帯のエネルギレベルが上
昇する。それに伴い、電子の遷移を妨げる向きに電界が
発生する結果ある所で平衡状態となる。第2図はこの平
衡状態を示してあり、3のn型プレーナドーピング層の
伝導帯の端のエネルギレベルはフエルミレベルEFより低
下している。一方、2のp型プレーナドーピング層の価
電子帯のエネルギレベルは上昇し、フエルミレベルより
上になっている。ここで−3のn型プレーナドーピング
層の不純物濃度は十分高いから、この平衡状態において
も、完全に空乏化することくキャリアが残っており、電
子層を構成する。一方、2のp型プレーナドーピング層
2は、正孔層を構成する。
この電子層の2次元電子ガスと正孔層の正孔ガスが絶縁
性の薄層AlAsを挟んで存在することにより、電子と正孔
対による合成粒子が得られ、超伝導となる。
ところが、この超伝導により、電子と正孔は同一方向に
運動し、全体として電流はキャンセルされるため、電子
と正孔対による合成粒子による超伝導を利用して、トラ
ンジスタを得るには、電子または正孔の一方のみを取出
さなければならない。そこで、本発明においては、2次
元電子ガスまたは正孔ガスのみにコンタクトする選択電
極を設け、電子または正孔の一方のみを取出すようにし
ている。
しかしながら、なお、電子−正孔対超伝導機構によるト
ランジスタを得るのに問題が残る。
その理由は、例えば、2次元電子ガスにコンタクトする
選択電極を形成し、電子を取出す構成にした場合で考え
ると、正孔層には電極が形成されず正孔流が取出されな
いため、正孔が正孔層内に局所的に滞留し、正孔層内に
電界が発生し、正孔流を妨げる。そのため、電子−正孔
対超伝導が起り難くなる。そこで、本発明においては、
電子層と正孔層のドーピングに差をつけ、選択電極によ
りチャネル外に取出さないの方のドープ量を大きくする
構成とし、選択電極が形成されない方の層のキャリアの
流れを増大できるようにして、選択電極が形成される方
の層のキャリアの流れと整合させて、上記キャリアの局
所的滞留を防止している。その構成により、電子−正孔
対超伝導機構による超伝導を実現でき、トランジスタ動
作が可能な素子が提供可能になる。
〔実施例〕
以下に、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
第1A図には本発明の実施例のトランジスタの要部断面構
成を示してあり、また、第1B図には実施例の電流径路を
示し、さらに、第2図には実施例のトランジスタのゲー
ト電極直下のバンド構造が示してある。第1A図におい
て、各層は以下の如くである。
1…半導体絶縁性(SI)GaAs基板 1′…ノンドープGaAs層(バッファ層) 2…p++−GaAsプレーナドープ層 Be(ベリリウム)ドープ,ドーピング濃度2.0×10
13cm-2 11…ノンドープGaAs層 厚味5Å 4…ノンドープAlAs層 厚味90Å 12…ノンドープGaAs層 厚味5Å 3…n++−GaAsプレーナドープ層 Si(シリコン)ドープ,ドーピング濃度 1.1×1013cm-2 5…n−GaAs層 Siドープ,ドーピング濃度1×1018cm-3 厚味300Å なお、以上の各半導体層は、MBE(分子線エピタキシャ
ル成長法)またはMOCVD(有機金属気相成長法)等を用
いて形成することができる。
次に、電極領域は以下のように形成されている。
6…ゲート電極(Alデポジション) 7,8…ソース,ドレイン電極 AuGe/Auをデポジション後、合金化 9,10…選択電極形成用イオン注入領域 注入イオンSe(セレン),注入濃度 ピーク濃度で5×1018cm-3 次に、本発明の実施例のトランジスタ動作について説明
する。
3のn++−GaAsプレーナドープ層(Siドープ層)からの
電子のうち、1×1013cm-2は2のp++−GaAsプレーナド
ープ層(Beドープ層)のアクセプタを埋めるためにフリ
ーキャリアとはならない。したがって、n++−GaAsプレ
ーナドープ層3に1×1012cm-2の電子、2のp++−GaAs
プレーナドープ層に1×1013cm-2の正孔がそれぞれフリ
ーキャリアとして残る。これら、2つの層は、100Åの
ノンドープ層、即ちノンドープGaAs層11,112(厚味各5
Å)と4のノンドープAlAs層(厚味90Å)により隔てら
れるために、先に述べた電子−正孔対超伝導機構によっ
て、低温下で超伝導となる。超伝導領域は、選択電極形
成用のイオン注入領域9,10を除く部分である。この超伝
導により、電子と正孔は同一方向に運動し、全体として
電流はキャンセルされるため、そのままではトランジス
タ動作ができないため、ソース,ドレインの選択電極9,
10により、電子による電流のみを取出す。そして、この
電子の濃度は、ゲート電極6により、5のn−GaAs層領
域での空乏層をコントロールすることにより制御され
る。
以上の実施例において、n++−GaAsプレーナドープ層3
と、2のp++−GaAsプレーナドープ層のドーピング濃度
に差をつけて正孔濃度の方を増すようにしている理由を
さらに詳しく説明する。もし、2の電子層と3の正孔層
の電子流と正孔流とが同じであったとすると、電子層3
の電子はドレインの選択電極により外部回路に取出さ
れ、再びソースの選択電極を介して電子チャネル3に戻
るという閉ループを形成するのに対して、正孔チャネル
2には電極が形成されていないため、正孔チャネル2内
のパスを流れるのみであるから正孔はドレインの選択電
極近くに滞留することになる。それにより正孔の流れを
阻害する電界が正孔層内に発生し、正孔の流れが阻害さ
れることにより、電子−正孔対合成粒子の他方の対の電
子の数が減少し、超伝導でなくなる。
そこで、本発明のように、正孔層2の正孔濃度を高くし
ておくと、正孔層2の正孔のうち、電子層3の電子数と
同じ数の正孔は電子−正孔対超伝導機構により超伝導化
する。そして、残りの正孔は正孔層3内のパスを常伝導
で流れる。ここで、第1B図の電流径路のように正孔層2
内のパスを流れる正孔流hは常伝導で流れる正孔分だけ
従来例より流れ易くなるから、正孔の局所的蓄積が少な
くなり、電子−正孔対超伝導機構による超伝導が阻害さ
れることが防止される。
次に、本実施例において、プレーナドーピングを用いて
いる点を説明する。
電子層3および正孔層2のドーピングを通常のドーピン
グにより単に高濃度に行なうと、n層からp層に電子が
移ることによる空乏層のために、電子層と正孔層との距
離が大きくなり非常に低温でしか超伝導化しない。これ
に対し、本実施例のようにプレーナドーピングを行なう
と、ドーピング濃度が極高いので、空乏層は形成され
ず、絶縁層を挾んで発生する電子−正孔対超伝導機構に
より超伝導が起るのである。なお、上記において、ソー
ス,ドレインの選択電極を形成する層を電子層とした
が、正孔層にソース,ドレインの選択電極を形成するよ
うにして、正孔層と電子層のドーピング濃度を電子層の
方が高くなるようにしても良い。
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、プレーナドープにより
電子層および正孔層を絶縁層を挾んで形成し、且つ選択
電極により、電子層または正孔層に選択的にオーミック
コンタクトし、電子流または正孔流の一方を取出ことに
より、電子−正孔対超伝導効果を用いたトランジスタを
実現できる。また、電子−正孔対超伝導機構を利用した
トランジスタの正孔の蓄積(正孔流を取出す場合は電子
の蓄積)を、電子層と正孔層にドーピング濃度差をつけ
ることにより、防ぐことができ、電子−正孔対超伝導機
構を利用した高速なトランジスタを提供することが可能
になる。
【図面の簡単な説明】
第1A図は本発明の実施例の断面図、第1B図は実施例の電
流径路の説明図、第2図は実施例のエネルギバンド図で
ある。 1……半導体絶縁性(SI)GaAs基板 1′……ノンドープGaAs層 2……p++−GaAsプレーナドープ層 3……n++−GaAsプレーナドープ層 4……ノンドープAlAs層 5……n−GaAs層 6……ゲート電極(Alデポジション) 7,8……ソース,ドレイン電極 9,10……選択電極形成用イオン注入領域 11,12……ノンドープGaAs層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】プレーナドーピングによる近接した電子層
    および正孔層からなる電子−正孔対超伝導体の電子層或
    いは正孔層の一方に選択的にオーミック接触するソース
    およびドレインの選択電極を備えるとともに、更に該電
    子層または正孔層のキャリアの濃度を制御する制御電極
    を備えることを特徴とする高速半導体装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の高速半導体装
    置において、 前記電子層または正孔層のうち、ソースおよびドレイン
    の選択電極がオーミックに接触する層のドーピング濃度
    をn1、他方の層のドレイン濃度をn2とするとき、 n1<n2 としてなることを特徴とする高速半導体装置。
JP61143803A 1986-06-19 1986-06-19 高速半導体装置 Expired - Fee Related JPH0770705B2 (ja)

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