JPH10144910A - ホットエレクトロン装置および共振トンネリングホットエレクトロン装置 - Google Patents
ホットエレクトロン装置および共振トンネリングホットエレクトロン装置Info
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- JPH10144910A JPH10144910A JP9232686A JP23268697A JPH10144910A JP H10144910 A JPH10144910 A JP H10144910A JP 9232686 A JP9232686 A JP 9232686A JP 23268697 A JP23268697 A JP 23268697A JP H10144910 A JPH10144910 A JP H10144910A
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D10/00—Bipolar junction transistors [BJT]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D48/00—Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
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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
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-
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- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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Abstract
(57)【要約】
【課題】電子の散乱現象を減少させ、電流密度の向上、
遷移時間の減少等素子の性能を向上させることができる
ホットエレクトロン装置を提供する。 【解決手段】(100)の格子構造を有する基板1と、
基板1上部の選択された領域に形成されるコレクタ層2
と、コレクタ層2上部の選択された領域に形成されるコ
レクタ障壁層3と、コレクタ障壁層3上部に形成される
ベ−ス層4と、ベ−ス層4上部の選択された領域に形成
される緩衝層5と、緩衝層5上部に形成されるエミッタ
障壁層6と、エミッタ障壁層6上部に形成されるエミッ
タ層7とを有するホットエレクトロン装置。
遷移時間の減少等素子の性能を向上させることができる
ホットエレクトロン装置を提供する。 【解決手段】(100)の格子構造を有する基板1と、
基板1上部の選択された領域に形成されるコレクタ層2
と、コレクタ層2上部の選択された領域に形成されるコ
レクタ障壁層3と、コレクタ障壁層3上部に形成される
ベ−ス層4と、ベ−ス層4上部の選択された領域に形成
される緩衝層5と、緩衝層5上部に形成されるエミッタ
障壁層6と、エミッタ障壁層6上部に形成されるエミッ
タ層7とを有するホットエレクトロン装置。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ホットエレクトロ
ン装置(Hot Electron Device;H
ET)に関し、特に異種接合(hetero stru
cture)ホットエレクトロン装置においてベ−ス
(base)層物質で有効電子質量(effectiv
e electron mass)が小さく電子移動
(electron mobility)が高いインジ
ウム砒素(InAs)エピ層を特殊に形成するホットエ
レクトロン装置に関するものである。
ン装置(Hot Electron Device;H
ET)に関し、特に異種接合(hetero stru
cture)ホットエレクトロン装置においてベ−ス
(base)層物質で有効電子質量(effectiv
e electron mass)が小さく電子移動
(electron mobility)が高いインジ
ウム砒素(InAs)エピ層を特殊に形成するホットエ
レクトロン装置に関するものである。
【0002】さらに、ホットエレクトロン装置にエミッ
タ電子投射層を追加して共振トンネリングを誘導した共
振トンネリングホットエレクトロン装置に関するもので
ある。
タ電子投射層を追加して共振トンネリングを誘導した共
振トンネリングホットエレクトロン装置に関するもので
ある。
【0003】
【従来の技術】最近数年間分子線エピタキシ−成長(M
olecular Beam Epitaxy;MB
E),金属有機物化学気相蒸着法(Meta1 ○rg
anicChemica1 Vapor Depost
tion;MOCVD)等の半導体成長技術が発展する
につれて異種接合構造を使用する半導体装置の開発が活
性化されてきた。このような装置のうち特にベ−ス領域
においてホットエレクトロン(hot electro
n)の非常に短く速い遷移時間を利用するホットエレク
トロン装置に対して非常な関心が集中し、それに対する
研究が進行している。電子の移動度が高い物質であるイ
ンジウム砒素をベ−ス物質として使用する場合電子の遷
移時間がさらに改善されるため素子の性能が一段と改善
される。
olecular Beam Epitaxy;MB
E),金属有機物化学気相蒸着法(Meta1 ○rg
anicChemica1 Vapor Depost
tion;MOCVD)等の半導体成長技術が発展する
につれて異種接合構造を使用する半導体装置の開発が活
性化されてきた。このような装置のうち特にベ−ス領域
においてホットエレクトロン(hot electro
n)の非常に短く速い遷移時間を利用するホットエレク
トロン装置に対して非常な関心が集中し、それに対する
研究が進行している。電子の移動度が高い物質であるイ
ンジウム砒素をベ−ス物質として使用する場合電子の遷
移時間がさらに改善されるため素子の性能が一段と改善
される。
【0004】ベ−ス層の電気的特性を向上することがで
きる従来のホットエレクトロン装置の構造の例を挙げる
と次のとおりである。
きる従来のホットエレクトロン装置の構造の例を挙げる
と次のとおりである。
【0005】i)n−GaAs(エミッタ)/i−Al
GaAs(エミッタ障壁層)/n−GaAs(ベ−ス)
/i−AlGaAs(コレクタ障壁層)/n−GaAs
(コレクタ)/GaAs(基板) ii)n−GaAs(エミッタ)/i−AlGaAs(エ
ミッタ障壁層)/n−InGaAs(ベ−ス)/i―A
lGaAs(コレクタ障壁層)/n―GaAs(コレク
タ)/GaAs(基板) iii)n−InGaAs(エミッタ)/i−InAlA
s(エミッタ障壁層)/n−InGaAs(ベ−ス)/
i−InAlAs(コレクタ障壁層)/n−InGaA
s(コレクタ)/InP(基板) iv)n−AlSbAs(エミッタ)/n−InAs(ベ
−ス)/i−GaSb(コレクタ障壁層)/n−GaS
b(コレクタ)/n−GaSb(コレクタ)/GaSb
(基板) ベ−ス層の改善により素子の性能を向上することができ
る技術によりホットエレクトロン装置を分類すると、ガ
リウム砒素系(GaAs―based),インジウム燐
系(InP)及びガリウムアンチモナイト系(GaS
b)等がある。
GaAs(エミッタ障壁層)/n−GaAs(ベ−ス)
/i−AlGaAs(コレクタ障壁層)/n−GaAs
(コレクタ)/GaAs(基板) ii)n−GaAs(エミッタ)/i−AlGaAs(エ
ミッタ障壁層)/n−InGaAs(ベ−ス)/i―A
lGaAs(コレクタ障壁層)/n―GaAs(コレク
タ)/GaAs(基板) iii)n−InGaAs(エミッタ)/i−InAlA
s(エミッタ障壁層)/n−InGaAs(ベ−ス)/
i−InAlAs(コレクタ障壁層)/n−InGaA
s(コレクタ)/InP(基板) iv)n−AlSbAs(エミッタ)/n−InAs(ベ
−ス)/i−GaSb(コレクタ障壁層)/n−GaS
b(コレクタ)/n−GaSb(コレクタ)/GaSb
(基板) ベ−ス層の改善により素子の性能を向上することができ
る技術によりホットエレクトロン装置を分類すると、ガ
リウム砒素系(GaAs―based),インジウム燐
系(InP)及びガリウムアンチモナイト系(GaS
b)等がある。
【0006】ガリウム砒素系ホットエレクトロン装置の
場合、エミッタ、ベ−ス、コレクタ層にド−プされたガ
リウム砒素層を使用する。エミッタ層とベ−ス層間のエ
ミッタ障壁層、ならびに、ベ−ス層とコレクタ層間のコ
レクタ障壁層としてはアルミニウム組成が0.3乃至
1.0間のアルミニウムガリウム砒素(AlxGa1-xA
s)層を使用して作製される。
場合、エミッタ、ベ−ス、コレクタ層にド−プされたガ
リウム砒素層を使用する。エミッタ層とベ−ス層間のエ
ミッタ障壁層、ならびに、ベ−ス層とコレクタ層間のコ
レクタ障壁層としてはアルミニウム組成が0.3乃至
1.0間のアルミニウムガリウム砒素(AlxGa1-xA
s)層を使用して作製される。
【0007】ド−プされたガリウム砒素層をベ−ス層と
して使用する場合、エミッタにおいてコレクタに移動す
ることができる電流の比が小さく通常的にコレクタ障壁
層の高さを低くするおさえることができるためコレクタ
電流利得を高くすることになる。しかしコレクタ障壁層
の高さが低くなるにつれて、コレクタ層の漏洩電流のな
い素子の作動が可能なコレクタ−ベ−ス電圧(VBE)は
低くなる。したがって電気的特性の向上のため、ベ−ス
層に電子の移動度が高い物質である、インジウム組成が
0.53乃至0.8間のインジウムガリウム砒素(In
XGa1-XAs)を導入して作製している。
して使用する場合、エミッタにおいてコレクタに移動す
ることができる電流の比が小さく通常的にコレクタ障壁
層の高さを低くするおさえることができるためコレクタ
電流利得を高くすることになる。しかしコレクタ障壁層
の高さが低くなるにつれて、コレクタ層の漏洩電流のな
い素子の作動が可能なコレクタ−ベ−ス電圧(VBE)は
低くなる。したがって電気的特性の向上のため、ベ−ス
層に電子の移動度が高い物質である、インジウム組成が
0.53乃至0.8間のインジウムガリウム砒素(In
XGa1-XAs)を導入して作製している。
【0008】この場合Γ−L分離(separatio
n)が大きくL谷間(valley)により電子の散乱
が減少し、コレクタ障壁層との伝導帯不連続性(con
duction band discontinuit
y)が増加するため、コレクタ障壁層のアルミニウム砒
素(A1As)含量を少なくすることができ、コレクタ
ーベ−ス電圧(VBE)を高くすることができる長所があ
る。
n)が大きくL谷間(valley)により電子の散乱
が減少し、コレクタ障壁層との伝導帯不連続性(con
duction band discontinuit
y)が増加するため、コレクタ障壁層のアルミニウム砒
素(A1As)含量を少なくすることができ、コレクタ
ーベ−ス電圧(VBE)を高くすることができる長所があ
る。
【0009】インジウム組成が0.53乃至0.8間の
インジウムガリウム砒素(InxGa1-xAs)ベ−ス層
は、ガリウム砒素層との格子不―致(1attice−
mismatch)を存在させることになる。格子不一
致は、格子内に歪み(strain)及び結晶欠陥を存
在させることにより、素子の作動電圧を大きくする。
インジウムガリウム砒素(InxGa1-xAs)ベ−ス層
は、ガリウム砒素層との格子不―致(1attice−
mismatch)を存在させることになる。格子不一
致は、格子内に歪み(strain)及び結晶欠陥を存
在させることにより、素子の作動電圧を大きくする。
【0010】このような問題を解決するためには、ベ−
ス層の厚さとドーピング濃度(doping conc
entration)を減少するか或いはコレクタ層障
壁層の高さを低くおさえなければならない。しかしベ−
ス層のドーピング濃度が減少するにつれてベ−ス層にお
ける散乱が減少して電流利得を増加させるか或いは同時
に素子のオーミック抵抗(ohmic resista
nce)は増加することになる。
ス層の厚さとドーピング濃度(doping conc
entration)を減少するか或いはコレクタ層障
壁層の高さを低くおさえなければならない。しかしベ−
ス層のドーピング濃度が減少するにつれてベ−ス層にお
ける散乱が減少して電流利得を増加させるか或いは同時
に素子のオーミック抵抗(ohmic resista
nce)は増加することになる。
【0011】一般的にインジウム砒素層は、インジウム
組成が0.53乃至0.8間のインジウムガリウム砒素
(InxGa1-xAs)に比べ、同じドーピング濃度でベ
−ス層の抵抗を下げることができ電流利得(curre
nt gain)を上げることができるものと知られて
いる。
組成が0.53乃至0.8間のインジウムガリウム砒素
(InxGa1-xAs)に比べ、同じドーピング濃度でベ
−ス層の抵抗を下げることができ電流利得(curre
nt gain)を上げることができるものと知られて
いる。
【0012】例を挙げると、表面にインジウム砒素層を
導入することによりショットキ―障壁(Schottk
y barrier)層の高さを低くしてオーミック抵
抗を向上することができることが知られている。しか
し、結晶構造の単位長さが5.6532オングストロー
ム(以下オングストロームをAと記す)のガリウム砒素
層と6.0583Aのインジウム砒素層間には7%の格
子不一致が存在する。この格子不一致により成長可能な
臨界厚さ(critical thickness)が
存在し成長したエピ層に転移(misfit disl
ocation),積層欠陥(stacking fa
ult)等の存在により、電気的特性の退化(degr
adation)が起きる。このような問題があるため
格子整合(1attice match)を得ることが
できる基板であるインジウム燐系を使用することにな
る。
導入することによりショットキ―障壁(Schottk
y barrier)層の高さを低くしてオーミック抵
抗を向上することができることが知られている。しか
し、結晶構造の単位長さが5.6532オングストロー
ム(以下オングストロームをAと記す)のガリウム砒素
層と6.0583Aのインジウム砒素層間には7%の格
子不一致が存在する。この格子不一致により成長可能な
臨界厚さ(critical thickness)が
存在し成長したエピ層に転移(misfit disl
ocation),積層欠陥(stacking fa
ult)等の存在により、電気的特性の退化(degr
adation)が起きる。このような問題があるため
格子整合(1attice match)を得ることが
できる基板であるインジウム燐系を使用することにな
る。
【0013】インジウム燐系ホットエレクトロン装置の
場合、エミッタ,ベ−ス 、コレクタ層にド−プされた
インジウムガリウム砒素(InGaAs)層を使用す
る。エミッタ層とベ−ス層間のエミッタ障壁層、ならび
に、ベ−ス層とコレクタ層間のコレクタ障壁層には多様
なアルミニウム組成のインジウムアルミニウムガリウム
砒素(InAlGaAs)層を使用して作製される。
場合、エミッタ,ベ−ス 、コレクタ層にド−プされた
インジウムガリウム砒素(InGaAs)層を使用す
る。エミッタ層とベ−ス層間のエミッタ障壁層、ならび
に、ベ−ス層とコレクタ層間のコレクタ障壁層には多様
なアルミニウム組成のインジウムアルミニウムガリウム
砒素(InAlGaAs)層を使用して作製される。
【0014】この場合も高い電子の移動度を有するイン
ジウム砒素物質をベ−ス層に適用するため結晶樽造の単
位長さが5.8687Aであるインジウム燐層と6.0
583Aであるインジウム砒素層の間に約4%の格子不
一致が存在する。この格子不一致のため結晶欠陥がなく
成長することができる臨界厚さ、エピ層内歪み等種々な
問題点がある。
ジウム砒素物質をベ−ス層に適用するため結晶樽造の単
位長さが5.8687Aであるインジウム燐層と6.0
583Aであるインジウム砒素層の間に約4%の格子不
一致が存在する。この格子不一致のため結晶欠陥がなく
成長することができる臨界厚さ、エピ層内歪み等種々な
問題点がある。
【0015】実際にエピ層を成長する場合、臨界厚さ以
内に成長すると問題がないが、ベ−ス層の厚さが減少す
ることにより、ベ−ス層の抵抗を減少し電子の遷移時間
を向上することができるが、エピ層成長後素子を作製す
るための工程のうちベ−ス層のオ−ミック接続時に金属
の拡散により素子を破壊するという深刻な問題が起き
る。このため約300A厚さのベ−ス層が必要となる。
内に成長すると問題がないが、ベ−ス層の厚さが減少す
ることにより、ベ−ス層の抵抗を減少し電子の遷移時間
を向上することができるが、エピ層成長後素子を作製す
るための工程のうちベ−ス層のオ−ミック接続時に金属
の拡散により素子を破壊するという深刻な問題が起き
る。このため約300A厚さのベ−ス層が必要となる。
【0016】ガリウムアンチモナイド系の場合インジウ
ム砒素層を適用すると、結晶構造の単位長さが5.86
87Aであるガリウムアンチモナイド層と6.0583
Aであるインジウム砒素層の格子不一致がほとんど存在
しないため理論的には格子整合をしてエピ成長が可能に
なる。しかし、高価なガリウムアンチモナイド基板及び
作製の難しさ、薄膜成長技術の未確立、素子製造工程の
不安定性等のため実際装置作製時には種々な問題があ
る。
ム砒素層を適用すると、結晶構造の単位長さが5.86
87Aであるガリウムアンチモナイド層と6.0583
Aであるインジウム砒素層の格子不一致がほとんど存在
しないため理論的には格子整合をしてエピ成長が可能に
なる。しかし、高価なガリウムアンチモナイド基板及び
作製の難しさ、薄膜成長技術の未確立、素子製造工程の
不安定性等のため実際装置作製時には種々な問題があ
る。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、異
種接合ホットエレクトロン装置のベ−ス層に、傾斜させ
た組成(graded composition)によ
りV字型の伝導帯(conduction band)
を有するインジウム砒素層を導入することにより電子の
散乱現象を減少させ、電流密度の向上、遷移時間の減少
等素子の性能を向上させることができるホットエレクト
ロン装置を提供することにその目的がある。
種接合ホットエレクトロン装置のベ−ス層に、傾斜させ
た組成(graded composition)によ
りV字型の伝導帯(conduction band)
を有するインジウム砒素層を導入することにより電子の
散乱現象を減少させ、電流密度の向上、遷移時間の減少
等素子の性能を向上させることができるホットエレクト
ロン装置を提供することにその目的がある。
【0018】さらに本発明の別の目的は、インジウム砒
素層の成長時の格子不―致等の問題を解決できるような
格子組成を有するエピタキシ−層を導入することにより
インジウム燐系ホットエレクトロン装置の作製を容易に
することにある。
素層の成長時の格子不―致等の問題を解決できるような
格子組成を有するエピタキシ−層を導入することにより
インジウム燐系ホットエレクトロン装置の作製を容易に
することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ための本発明の第1の態様によるホットエレクトロン装
置は(100)の格子構造を有する基板と、上記基板上
部の選択された領域に形成される導電性のコレクタ層
と、上記コレクタ層上部の選択された領域に形成される
コレクタ障壁層と、上記コレクタ障壁層上部に形成され
た導電性のベ−ス層と、上記ベ−ス層上部の選択された
領域に形成される緩衝層と、上記緩衝層上部に形成され
るエミッタ障壁層と、上記エミッタ障壁層上部に形成さ
れる導電性のエミッタ層とを有することを特徴とする。
ための本発明の第1の態様によるホットエレクトロン装
置は(100)の格子構造を有する基板と、上記基板上
部の選択された領域に形成される導電性のコレクタ層
と、上記コレクタ層上部の選択された領域に形成される
コレクタ障壁層と、上記コレクタ障壁層上部に形成され
た導電性のベ−ス層と、上記ベ−ス層上部の選択された
領域に形成される緩衝層と、上記緩衝層上部に形成され
るエミッタ障壁層と、上記エミッタ障壁層上部に形成さ
れる導電性のエミッタ層とを有することを特徴とする。
【0020】ここでベ−ス層は、コレクタ障壁層と格子
整合をなす組成から始まりベ−ス層中間までベ−ス層の
伝導帯が最小値に到達するように組成を漸次変化させた
あと再びエミッタ障壁層まで格子整合組成で変化するよ
うに組成を漸次変化させるにより、V字型の伝導帯を有
することを特徴とする。
整合をなす組成から始まりベ−ス層中間までベ−ス層の
伝導帯が最小値に到達するように組成を漸次変化させた
あと再びエミッタ障壁層まで格子整合組成で変化するよ
うに組成を漸次変化させるにより、V字型の伝導帯を有
することを特徴とする。
【0021】さらに本発明の第2の態様による共振トン
ネリングホットエレクトロン装置は、本発明の第1の態
様によるホットエレクトロン装置においてエミッタ障壁
層の代わりに、エミッタ障壁層と、障壁層閻の量子井戸
層とを組み合わせたエミッタ電子投射層を備えることを
特徴とする。このとき量子井戸層に量子束縛電位(qu
antium−well confined stat
e)が形成される。即ち、スタークシフト(Stark
shift)によりフェルミエネルギと整列ができる
ように構成し、これを介したホットエレクトロンの投射
がベ−ス領域に行われるようにすることである。
ネリングホットエレクトロン装置は、本発明の第1の態
様によるホットエレクトロン装置においてエミッタ障壁
層の代わりに、エミッタ障壁層と、障壁層閻の量子井戸
層とを組み合わせたエミッタ電子投射層を備えることを
特徴とする。このとき量子井戸層に量子束縛電位(qu
antium−well confined stat
e)が形成される。即ち、スタークシフト(Stark
shift)によりフェルミエネルギと整列ができる
ように構成し、これを介したホットエレクトロンの投射
がベ−ス領域に行われるようにすることである。
【0022】
【発明の実施の形態】添付した図面を参照して本発明を
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【0023】図1は本発明の第1実施の形態によるホッ
トエレクトロン装置の断面図である。ここでベ−ス層
は、コレクタ障壁層と格子整合を成す組成から始まり、
ベ−ス層中間までベ−ス層の伝導帯が最小値に到達する
ように組成を漸次変化させたあと、再びエミッタ障壁層
と格子整合する組成まで変化するように組成を漸次変化
させ、これによりV字型の伝導帯を有することを特徴と
する。
トエレクトロン装置の断面図である。ここでベ−ス層
は、コレクタ障壁層と格子整合を成す組成から始まり、
ベ−ス層中間までベ−ス層の伝導帯が最小値に到達する
ように組成を漸次変化させたあと、再びエミッタ障壁層
と格子整合する組成まで変化するように組成を漸次変化
させ、これによりV字型の伝導帯を有することを特徴と
する。
【0024】このような異種接合構造の化合物半導体成
長は次のような方法で行われる(100)の格子構造を
有する半絶縁インジウム燐(InP)基板(1)上部に
選択された領域に、ド−プされたインジウムガリウム砒
素(InGaAs)化合物の半導体により構成されるコ
レクタ層(2)が形成される。コレクタ層(2)上部の
選択された領域に、ド−プされていないインジウムガリ
ウムアルミニウム砒素(InGaxAlyAs)化合物半
導体により構成されたコレクタ障壁層(3)が形成さ
れ、コレクタ電極(11)が形成される。コレクタ障壁
層(3)上部にド−プされたインジウムガリウム砒素
(InxGa1-xAs)化合物半導体により構成されたベ
−ス層(4)が形成される。ベ−ス層(4)上部の選択
された領域にド−プされていないインジウムガリウム砒
素(InGaAs)又はインジウムアルミニウム砒素
(InAlAs)化合物半導体により構成される緩衝層
(5)が形成され、ベ−ス電極(12)が形成される。
緩衝層(5)上部にド−プされていないインジウムアル
ミニウム砒素(InA1As)化合物半導体によりエミ
ッタ障壁層(6)が形成される。エミッタ障壁層(6)
上部にド−プされたインジウムガリウム砒素(InGa
As)化合物半導体により構成されるエミッタ層(7)
が形成され、またエミッタ層(7)上部の選択された領
域にはエミッタ電極(13)が形成される。
長は次のような方法で行われる(100)の格子構造を
有する半絶縁インジウム燐(InP)基板(1)上部に
選択された領域に、ド−プされたインジウムガリウム砒
素(InGaAs)化合物の半導体により構成されるコ
レクタ層(2)が形成される。コレクタ層(2)上部の
選択された領域に、ド−プされていないインジウムガリ
ウムアルミニウム砒素(InGaxAlyAs)化合物半
導体により構成されたコレクタ障壁層(3)が形成さ
れ、コレクタ電極(11)が形成される。コレクタ障壁
層(3)上部にド−プされたインジウムガリウム砒素
(InxGa1-xAs)化合物半導体により構成されたベ
−ス層(4)が形成される。ベ−ス層(4)上部の選択
された領域にド−プされていないインジウムガリウム砒
素(InGaAs)又はインジウムアルミニウム砒素
(InAlAs)化合物半導体により構成される緩衝層
(5)が形成され、ベ−ス電極(12)が形成される。
緩衝層(5)上部にド−プされていないインジウムアル
ミニウム砒素(InA1As)化合物半導体によりエミ
ッタ障壁層(6)が形成される。エミッタ障壁層(6)
上部にド−プされたインジウムガリウム砒素(InGa
As)化合物半導体により構成されるエミッタ層(7)
が形成され、またエミッタ層(7)上部の選択された領
域にはエミッタ電極(13)が形成される。
【0025】ここで、各エピタキシアル層の組成は次の
とおりである。
とおりである。
【0026】ベ−ス層(4)は、ド−プされた53%イ
ンジウム(In)組成のインジウムガリウム砒素(In
xGa1-xAs:x=0.53)化合物半導体から始まり
100%インジウム(In)組成(x=1)のインジウ
ム砒素(InAs)化合物半導体に傾斜組成をもつよう
に成長したあと再び53%インジウム(In)組成のイ
ンジウムガリウム砒素(InGaAs)化合物半導体に
傾斜組成を有するように形成されている。このようにす
ることによりベ−ス層(4)はV字型の伝導帯をもつよ
うになる。
ンジウム(In)組成のインジウムガリウム砒素(In
xGa1-xAs:x=0.53)化合物半導体から始まり
100%インジウム(In)組成(x=1)のインジウ
ム砒素(InAs)化合物半導体に傾斜組成をもつよう
に成長したあと再び53%インジウム(In)組成のイ
ンジウムガリウム砒素(InGaAs)化合物半導体に
傾斜組成を有するように形成されている。このようにす
ることによりベ−ス層(4)はV字型の伝導帯をもつよ
うになる。
【0027】ド−プされていないインジウムガリウムア
ルミニウム砒素(InGaxAlyAs)化合物半導体に
より構成されるコレクタ障壁層(3)を除外し、インジ
ウムアルミニウム砒素(InA1As)化合物半導体に
より構成される緩衝層(5)とエミッタ障壁層(6)
は、52%のインジウム(In)、48%のアルミニウ
ム(A1)により構成されるIII族元素と砒素(A
s)のV族元素は各々1:1の組成比になる。インジウ
ムガリウム砒素(InGaAs)化合物半導体により構
成されるコレクタ層(2)、ベ−ス層(4)、緩衝層
(5)及びエミッタ層(7)は、53%のインジウム
(In)及び47%のガリウム(Ga)により構成され
る1II族元素と砒素(As)のV族元素が各々1:1
の組成比になる。
ルミニウム砒素(InGaxAlyAs)化合物半導体に
より構成されるコレクタ障壁層(3)を除外し、インジ
ウムアルミニウム砒素(InA1As)化合物半導体に
より構成される緩衝層(5)とエミッタ障壁層(6)
は、52%のインジウム(In)、48%のアルミニウ
ム(A1)により構成されるIII族元素と砒素(A
s)のV族元素は各々1:1の組成比になる。インジウ
ムガリウム砒素(InGaAs)化合物半導体により構
成されるコレクタ層(2)、ベ−ス層(4)、緩衝層
(5)及びエミッタ層(7)は、53%のインジウム
(In)及び47%のガリウム(Ga)により構成され
る1II族元素と砒素(As)のV族元素が各々1:1
の組成比になる。
【0028】図2は本発明の第2の実施の形態による共
振トンネリングホットエレクトロン装置の断面図であ
る。
振トンネリングホットエレクトロン装置の断面図であ
る。
【0029】(100)の格子構造を有する半絶縁イン
ジウム燐基板(1)上部の選択された領域に、ド−プさ
れたインジウムガリウム砒素化合物半導体により構成さ
れるコレクタ層(2)が形成される。コレクタ層(2)
上部の選択された領域に、ド−プされていないインジウ
ムガリウムアルミニウム砒素化合物半導体により樽成さ
れるコレクタ障壁層(3)が形成され、コレクタ電極
(11)が形成される。コレクタ障壁層(3)上部に、
ド−プされたインジウムガリウム砒素化合物半導体によ
り構成されるベ−ス層(4)が形成される。ベ−ス層
(4)上部の選択された領域に、ド−プされていないイ
ンジウムガリウム砒素又はインジウムアルミニウム砒素
化合物半導体により構成される緩衝層(5)が形成さ
れ、ベ−ス層電極(12)が形成される。緩衝層(5)
上部に、ド−プされていないインジウムアルミニウム砒
素化合物半導体により構成されるエミッタ障壁層(6)
が形成される。エミッタ障壁層(6)上部に、インジウ
ムガリウム砒素化合物半導体により構成される量子井戸
層(8)が形成される。量子井戸層(8)上部に、ド−
プされていないインジウムアルミニウム砒素化合物の半
導体により構成される障壁層(9)が形成される。この
エミッタ障壁層(6)、量子井戸層(8)及び障壁層
(9)が、エミッタ電子投射層(10)を形成する。障
壁層(9)上部に、ド−プされたインジウムガリウム砒
素化合物半導体により構成されるエミッタ層(7)が形
成される。エミッタ層(7)上部の選択された領域に、
エミッタ電極(13)が形成される。ここで各エピタキ
シァル層の構造は、上述した図1の構造と同一である。
ジウム燐基板(1)上部の選択された領域に、ド−プさ
れたインジウムガリウム砒素化合物半導体により構成さ
れるコレクタ層(2)が形成される。コレクタ層(2)
上部の選択された領域に、ド−プされていないインジウ
ムガリウムアルミニウム砒素化合物半導体により樽成さ
れるコレクタ障壁層(3)が形成され、コレクタ電極
(11)が形成される。コレクタ障壁層(3)上部に、
ド−プされたインジウムガリウム砒素化合物半導体によ
り構成されるベ−ス層(4)が形成される。ベ−ス層
(4)上部の選択された領域に、ド−プされていないイ
ンジウムガリウム砒素又はインジウムアルミニウム砒素
化合物半導体により構成される緩衝層(5)が形成さ
れ、ベ−ス層電極(12)が形成される。緩衝層(5)
上部に、ド−プされていないインジウムアルミニウム砒
素化合物半導体により構成されるエミッタ障壁層(6)
が形成される。エミッタ障壁層(6)上部に、インジウ
ムガリウム砒素化合物半導体により構成される量子井戸
層(8)が形成される。量子井戸層(8)上部に、ド−
プされていないインジウムアルミニウム砒素化合物の半
導体により構成される障壁層(9)が形成される。この
エミッタ障壁層(6)、量子井戸層(8)及び障壁層
(9)が、エミッタ電子投射層(10)を形成する。障
壁層(9)上部に、ド−プされたインジウムガリウム砒
素化合物半導体により構成されるエミッタ層(7)が形
成される。エミッタ層(7)上部の選択された領域に、
エミッタ電極(13)が形成される。ここで各エピタキ
シァル層の構造は、上述した図1の構造と同一である。
【0030】エミッタ電子投射層(10)の量子井戸束
縛電位は、各層の広さにより制御される。エミッタ障壁
層(3)、および、障壁層(9)と導電型ベ−ス層4と
の間のド−プされていない緩衝層(5)は、フェルミエ
ネルギーと整列された量子束縛準位を介して共振トンネ
リングが起きることができるようにその広さを調整する
ことができる自由度に導入される。この層の位置はエミ
ッタ電子投射層(10)構造の前と後ろに各々置くこと
ができる。スタークシフト(Stark shift)
による電子の量子束縛準位の整列はエミッタ電子投射層
(10)の量子井戸層(8)の広さと緩衝層の広さの組
合せにより決定される。
縛電位は、各層の広さにより制御される。エミッタ障壁
層(3)、および、障壁層(9)と導電型ベ−ス層4と
の間のド−プされていない緩衝層(5)は、フェルミエ
ネルギーと整列された量子束縛準位を介して共振トンネ
リングが起きることができるようにその広さを調整する
ことができる自由度に導入される。この層の位置はエミ
ッタ電子投射層(10)構造の前と後ろに各々置くこと
ができる。スタークシフト(Stark shift)
による電子の量子束縛準位の整列はエミッタ電子投射層
(10)の量子井戸層(8)の広さと緩衝層の広さの組
合せにより決定される。
【0031】図3(a)乃至図3(d)は、本発明の第
1の実施の形態による各電圧における各層内での伝導帯
の最低準位を図示したエネルギーパンド図(schem
atic energy diagram)である。な
お、図3(a)〜(d)において、EFはフェルミエネ
ルギーを示す。
1の実施の形態による各電圧における各層内での伝導帯
の最低準位を図示したエネルギーパンド図(schem
atic energy diagram)である。な
お、図3(a)〜(d)において、EFはフェルミエネ
ルギーを示す。
【0032】図3(a)は、図1の構成の熱平衡状態に
おけるホットエレクトロン装置(HET)構造層のエネ
ルギーバンド図である。エミッタ(E)層7とベ−ス
(B)層4と間に薄く高いエミッタ障壁層6のエネルギ
ー障壁が形成され、またベ−ス(B)層4はV字型の伝
導帯を有する。ベ−ス(B)層4とコレクタ(C)層2
と間にはエミッタ障壁層6のエネルギー障壁よりも相対
的に低く広いエネルギー障壁のコレクタ障壁層3が形成
されている。
おけるホットエレクトロン装置(HET)構造層のエネ
ルギーバンド図である。エミッタ(E)層7とベ−ス
(B)層4と間に薄く高いエミッタ障壁層6のエネルギ
ー障壁が形成され、またベ−ス(B)層4はV字型の伝
導帯を有する。ベ−ス(B)層4とコレクタ(C)層2
と間にはエミッタ障壁層6のエネルギー障壁よりも相対
的に低く広いエネルギー障壁のコレクタ障壁層3が形成
されている。
【0033】図3(b)は本発明によるエミッタ−ベ−
ス間に電圧(VBE)適用時のホットエレクトロン装置構
造層のエネルギーパンド図である。平衡状態のエネルギ
ーバンドにエミタ−ベ−ス間電圧(VBE)を印加するこ
とによりエミッタ障壁層6のエネルギー障壁が平衡状態
よりも相対的に厚くなる。ベ−ス(B)層4のV字型の
エネルギーバンドは、印加したエミッターベ−ス間の電
圧(VBE)相当に深くになる。ベ−ス(B)とコレクタ
(C)間のコレクタ障壁層3のエネルギー障壁は、平衡
状態よりも低い位置から始まりエミッタ障壁層6のエネ
ルギー障壁の高さくらいまで増加して形成され、その厚
さは平衡状態の厚さと同一である。
ス間に電圧(VBE)適用時のホットエレクトロン装置構
造層のエネルギーパンド図である。平衡状態のエネルギ
ーバンドにエミタ−ベ−ス間電圧(VBE)を印加するこ
とによりエミッタ障壁層6のエネルギー障壁が平衡状態
よりも相対的に厚くなる。ベ−ス(B)層4のV字型の
エネルギーバンドは、印加したエミッターベ−ス間の電
圧(VBE)相当に深くになる。ベ−ス(B)とコレクタ
(C)間のコレクタ障壁層3のエネルギー障壁は、平衡
状態よりも低い位置から始まりエミッタ障壁層6のエネ
ルギー障壁の高さくらいまで増加して形成され、その厚
さは平衡状態の厚さと同一である。
【0034】図3(c)は本発明によるコレクターエミ
ッタ間に電圧(VCE)適用時のホットエレクトロン装置
構造層のエネルギーバンド図である。コレクターエミッ
タ間電圧(VCE)を印加することによりエミッタ障壁層
6のエネルギー障壁は、平衡状態よりも厚くなり、ベ−
ス(B)層4のV字型のエネルギーバンドは、平衡状態
と同一の条件で形成される。コレクタ障壁層3のエネル
ギー障壁は、平衡状態と同一の位置から始まり、平衡状
態のエミッタ電圧からコレクタ−エミッター間電圧(V
CE)を印加した高さ相当で低くなった位置、すなわちV
字型ベ−スのエネルギーバンドの上部間で形成される。
コレクタ障壁層3のエネルギー障壁の厚さは平衡状態の
時と同一である。
ッタ間に電圧(VCE)適用時のホットエレクトロン装置
構造層のエネルギーバンド図である。コレクターエミッ
タ間電圧(VCE)を印加することによりエミッタ障壁層
6のエネルギー障壁は、平衡状態よりも厚くなり、ベ−
ス(B)層4のV字型のエネルギーバンドは、平衡状態
と同一の条件で形成される。コレクタ障壁層3のエネル
ギー障壁は、平衡状態と同一の位置から始まり、平衡状
態のエミッタ電圧からコレクタ−エミッター間電圧(V
CE)を印加した高さ相当で低くなった位置、すなわちV
字型ベ−スのエネルギーバンドの上部間で形成される。
コレクタ障壁層3のエネルギー障壁の厚さは平衡状態の
時と同一である。
【0035】図3(d)は、本発明によるベ−スエミッ
タ間電圧(VBE)とコレクタ−エミッタ間電圧(VCE)を
同時に適用する場合ホットエレクトロン装置のエネルギ
ーパンド図である。図示されたように図3(b)と図3
(c)とを合わせた形態を表す。即ち、エミッタ−ベ−
ス(VBE)間の電圧相当にエミッタ障壁層6のエネルギ
ー障壁は高くなり、コレクタ障壁層3のエネルギー障壁
は平衡状態の高さに形成されるがコレクターエミッタ間
電圧(VCE)相当に低い位置にコレクタ層2の伝導帯が
位置する。
タ間電圧(VBE)とコレクタ−エミッタ間電圧(VCE)を
同時に適用する場合ホットエレクトロン装置のエネルギ
ーパンド図である。図示されたように図3(b)と図3
(c)とを合わせた形態を表す。即ち、エミッタ−ベ−
ス(VBE)間の電圧相当にエミッタ障壁層6のエネルギ
ー障壁は高くなり、コレクタ障壁層3のエネルギー障壁
は平衡状態の高さに形成されるがコレクターエミッタ間
電圧(VCE)相当に低い位置にコレクタ層2の伝導帯が
位置する。
【0036】エネルギーバンドのように、本実施の形態
の図1の構成は、ベ−ス層4のV字型の伝導帯を有し、
電子の遷移時間を減少することができる。さらに、二重
障壁共振トンネリング構造の代わりに、図2の構造のよ
うに3個以上の障壁構造を有する多重障壁共振トンネリ
ング構造を利用する場合、2個以上の整列された量子束
縛準位を介した共振トンネリングにより多数の電流ピー
ク(multi−current peak)が可能に
なるためさらなる多様性が提供される。
の図1の構成は、ベ−ス層4のV字型の伝導帯を有し、
電子の遷移時間を減少することができる。さらに、二重
障壁共振トンネリング構造の代わりに、図2の構造のよ
うに3個以上の障壁構造を有する多重障壁共振トンネリ
ング構造を利用する場合、2個以上の整列された量子束
縛準位を介した共振トンネリングにより多数の電流ピー
ク(multi−current peak)が可能に
なるためさらなる多様性が提供される。
【0037】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、ホッ
トエレクトロン装置のベ−ス層にインジウム砒素(In
As)を傾斜組成することにより有効電子質量を小さく
して電子移動度を高めることができ、Γ−L分離(se
paration)を大きくしてL―谷間(valle
y)による電子の散乱を減少することができる。さら
に、コレクタ障壁層との伝導帯不連続性(conduc
tion−band discontinuity)を
増加させ、コレクタ障壁層のアルミニウム砒素(AlA
s)含量を減少することができコレクタ−ベ−ス電圧
(VBC)を高めることができる。さらに、コレクターベ
−ス電圧(VBC)を高くすることができるため電子の遷
移時間を短縮することができ、オーミック接続(ohm
ic contact)用金属蒸着(metalliz
ation)のための高ドーピング濃度においてベ−ス
の抵抗を減少させ、コレクタ利得(gain)を増加さ
せることができるため改善された超高速素子、高周波振
動子及び新しい機能の高速論理装置等を応用することが
できる卓越した効果がある。
トエレクトロン装置のベ−ス層にインジウム砒素(In
As)を傾斜組成することにより有効電子質量を小さく
して電子移動度を高めることができ、Γ−L分離(se
paration)を大きくしてL―谷間(valle
y)による電子の散乱を減少することができる。さら
に、コレクタ障壁層との伝導帯不連続性(conduc
tion−band discontinuity)を
増加させ、コレクタ障壁層のアルミニウム砒素(AlA
s)含量を減少することができコレクタ−ベ−ス電圧
(VBC)を高めることができる。さらに、コレクターベ
−ス電圧(VBC)を高くすることができるため電子の遷
移時間を短縮することができ、オーミック接続(ohm
ic contact)用金属蒸着(metalliz
ation)のための高ドーピング濃度においてベ−ス
の抵抗を減少させ、コレクタ利得(gain)を増加さ
せることができるため改善された超高速素子、高周波振
動子及び新しい機能の高速論理装置等を応用することが
できる卓越した効果がある。
【図1】本発明の第1の実施の形態によるホットエレク
トロン装置の断面図。
トロン装置の断面図。
【図2】本発明の第2の実施の形態による共振トンネリ
ングホットエレクトロン装置の断面図。
ングホットエレクトロン装置の断面図。
【図3】(a)〜(d)本発明による各電圧における各
層内の導電バンドの最低準位を図示したエネルギーバン
ド図。
層内の導電バンドの最低準位を図示したエネルギーバン
ド図。
1:基板 2:コレクタ層 3:コレクタ障壁層 4:ベ−ス層 5:緩衝層 6:エミッタ障壁
層 7:エミッタ層 8:量子井戸層 9:障壁層 10:エミッタ電子
投射層 11:コレクタ電極 12:ベ−ス電極 13:エミッタ電極
層 7:エミッタ層 8:量子井戸層 9:障壁層 10:エミッタ電子
投射層 11:コレクタ電極 12:ベ−ス電極 13:エミッタ電極
Claims (23)
- 【請求項1】(100)の格子構造を有する基板と、 上記基板上部の選択された領域に形成されるコレクタ層
と、 上記コレクタ層上部の選択された領域に形成されるコレ
クタ障壁層と、 上記コレクタ障壁層上部に形成されるベ−ス層と、 上記ベ−ス層上部の選択された領域に形成される緩衝層
と、 上記緩衝層上部に形成されるエミッタ障壁層と、 上記エミッタ障壁層上部に形成されるエミッタ層とを有
することを特徴とするホットエレクトロン装置。 - 【請求項2】請求項1において、上記基板は、半絶縁イ
ンジウム燐(InP)によりなることを特徴とするホッ
トエレクトロン装置。 - 【請求項3】請求項1において、上記コレクタ層は、ド
−プされたインジウムガリウム砒素(InGaAs)化
合物半導体によりなることを特徴とするホットエレクト
ロン装置。 - 【請求項4】請求項1において、上記コレクタ障壁層
は、ド−プされていないインジウムガリウムアルミニウ
ム砒素(InGaxAlyAs)化合物半導体によりなる
ことを特徴とするホットエレクトロン装置。 - 【請求項5】請求項1において、上記ベ−ス層は、ド−
プされたインジウムガリウム砒素(InxGa1-xAs)
化合物半導体によりなることを特徴とするホットエレク
トロン装置。 - 【請求項6】請求項1において、上記緩衝層は、ド−プ
されていないインジウムガリウム砒素(InGaAs)
及びインジウムアルミニウム砒素(InAlAs)化合
物の半導体のうち何れか一つによりなることを特徴とす
るホットエレクトロン装置。 - 【請求項7】請求項1において、上記エミッタ障壁層
は、ド−プされていないインジウムアルミニウム砒素
(InAlAs)化合物半導体によりなることを特徴と
するホットエレクトロン装置。 - 【請求項8】請求項1において、上記エミッタ層は、ド
−プされたインジウムガリウム砒素(InGaAs)化
合物半導体によりなることを特徴とするホットエレクト
ロン装置。 - 【請求項9】請求項5において、上記ベ−ス層は、コレ
クタ障壁層と格子整合をなす組成から始まりベ−ス層中
間までベ−ス層の伝導帯が最小値に到達するように組成
を漸次変化させたあと再びエミッタ障壁層まで格子整合
組成に変化するように組成を漸次変化させた層であるこ
とを特徴とするホットエレクトロン装置。 - 【請求項10】(100)の格子構造を有する基板と、 上記基板上部の選択された領域に形成されるコレクタ層
と、 上記コレクタ層上部の選択された領域に形成されるコレ
クタ障壁層と、 上記コレクタ障壁層上部に形成されるベ−ス層と、 上記ベ−ス層上部に選択された領域に形成される緩衝層
と、 上記緩衝層上部に形成されたエミッタ障壁層と、 上記エミッタ障壁層上部に形成される量子井戸層と、 上記量子井戸層上部に形成される障壁層と、 上記障壁層上部に形成されるエミッタ層とを有すること
を特徴とする共振トンネリングホットエレクトロン装
置。 - 【請求項11】請求項10において、上記基板は、半絶
縁インジウム燐(InP)によりなることを特徴とする
共振トンネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項12】請求項10において、上記コレクタ層
は、ド−プされたインジウムガリウム砒素(InGaA
s)化合物半導体によりなることを特徴とする共振トン
ネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項13】請求項10において、上記コレクタ障壁
層は、ド−プされていないインジウムガリウムアルミニ
ウム砒素(InGaxAlyAs)化合物半導体によりな
ることを特徴とする共振トンネリングホットエレクトロ
ン装置。 - 【請求項14】請求項10において、上記ベ−ス層は、
ド−プされたインジウムガリウム砒素(InxGa1-xA
s)化合物半導体によりなることを特徴とする共振トン
ネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項15】請求項10において、上記緩衝層は、ド
−プされていないインジウムガリウム砒素(InGaA
s)およびインジウムアルミニウム砒素(InAlA
s)化合物半導体のうち何れか一つによりなることを特
徴とする共振トンネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項16】請求項10において、上記エミッタ障壁
層は、ド−プされていないインジウムアルミニウム砒素
(InAlAs)化合物半導体によりなることを特徴と
する共振トンネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項17】請求項10において、上記エミッタ障壁
層は、ド−プされていないインジウムアルミニウム砒素
(InAlAs)化合物半導体によりなることを特徴と
する共振トンネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項18】請求項10において、上記量子井戸層
は、ド−プされていないインジウムガリウム砒素(In
GaAs)化合物半導体によりなることを特徴とする共
振トンネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項19】請求個10において、上記障壁層は、ド
−プされていないインジウムアルミニウム砒素(InA
lAs)化合物半導体によりなることを特徴とする共振
トンネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項20】請求項10において、上記エミッタ層
は、ド−プされたインジウムガリウム砒素(InGaA
s)化合物半導体によりなることを特徴とする共振トン
ネリングホットエレクトロン装置。 - 【請求項21】請求項14において、上記ベ−ス層はコ
レクタ障壁層と格子整合をなす組成から始まりベ−ス層
中間までベ−ス層の伝導帯が最小値に到達するように組
成を漸次変化させたあと再びエミッタ障壁層間で格子整
合組成に変化するように組成を漸次変化させた層である
ことを特徴とする共振トンネリングホットエレクトロン
装置。 - 【請求項22】請求項10において、上記エミッタ障壁
層、量子井戸層および障壁層は、エミッタ電子投射層を
形成することを特徴とする共振トンネリングホットエレ
クトロン装置。 - 【請求項23】請求項10において、上記エミッタ障壁
層、障壁層および緩衝層は、幅を調整することによりフ
ェルミエネルギーと整列された量子束縛準位を介して共
振トンネリングがおきるように形成されていることを特
徴とする共振トンネリングホットエレクトロン装置。
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