JPS5952885A - ス−パ・シヨツトキ・トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、スーパ・ショット；Ｖ−・トランジスタお
よびその製造方法に関するものである。

従来用いられてきたバイポーラトランジスタは、半導体
のｐｎ接合の組み合わせをその基本構成としている。ま
た、電界効果トランジスタは、ｐｎ接合の他に、ショッ
トキ接合あるいはＭＩＳ接合をその基本４Ｍ成としてい
る。これらのトランジスタの動作の基本となる接合構造
は、通常用いられているものとして半導体材料および金
属材料との組み合わせである。これらの接合構造、すな
わちＰＮ接合、ショットキ接合あるい４１Ｍｌ５接合の
いずれの場合においても数百ｍＶ以上の障壁高さを有し
ている。したがって、トランジスタ動作を行わせるため
の素子へのバイアス電圧は、いずれの場合にも数Ｖ程度
を必要としており、幾何学的形状の微小化等の技術的便
法な使用−しても、低雑音化、低消費電力化には限度が
あり、最近の高度化されたニーズに対応しきれなくなっ
ている。

第１図は従来のバイポーラトランジスタの基本構成であ
り、ｎ＋型（またはｐ＋型）の基板１の上圧、ｐ型（ま
たはｎ型）の不純物層２を拡散ないし結晶成長等によっ
て形成し、さらにその上にｎ型（またはｐ型）の不純物
；脅３を同様の方法で形成して各々所要個所に金属から
なる冨、極／ｌ、Ｓ、６ン形成して製造する。この素子
構造において、半導体部である基板１．不純物層２．不
純物ｊ慢３と各々電極４．５．６の金属との間は障壁の
ないオーム性接合を作る。このようにして作成された、
不純物層３と不純物層２および不純物層２と基板１の間
のｐｎ接合に適当なバイアス電圧を印加すること罠より
、’ａ電極に加えられた信号の増幅またはスイッチング
等の能動作用を行わせることができる。

ｐｎ接合障壁高さは、例えばＳｉ（シリコン）の場合０
．８〜１ｖであるから最低的ＩＶのバイアス電圧を印加
して動作させることになり、この値を大幅に１＃、少さ
せることができないため、不純物層２０幅ならびに電＃
ｉ４０間の間隔をサフミクロンに微小化するなどの手段
′ｆ／：喧じて消ｉｔ　Ｔ［、力のホ小化、動作速度の
高速化を園っている。しかしながら、Ｓｉバイポーラト
ランジスタの単体尚りの消費゛電力は約２ｍＷ、スイッ
チ速度は約８０ｐｓ程度でほぼ限界忙達しており、これ
以上の改善は望めないというのが現状である。

第２図は一般的な従来のＭＩＳ型雷、界効果トランジス
タの基本構造であり、絶縁性基板Ｔの上圧ｎ型（または
ｐ型）の半導体層８を作成し、その上に金属の電極１１
および１２を形成して各々ソースおよびドレン電極とす
るとともに、ソース電極１１．ドレン電極１２間に絶縁
層９およびその上圧金属の電極１０を形成してゲート電
極とするものである。ゲート電極１（ＩＫ電圧数Ｖど化
印加１′ると、半導体層８および絶縁層９間に、いわゆ
るチャネル層が形成され、ソースｉ＋を極ｚおよびドレ
ン電極１２間に流れる電流が変化することを利用して、
信号の増幅またはスイッチング等の能動作用を行わせる
ものである。この構造のトランジスタにおいては、半導
体材料としてＳｌを用いると消＊電力がバイポーラトラ
ンジスタに比べて小さくなるという利点がある反面、ス
イッチ速度が数ｎｓ以上となり、動作速度が遅くなると
いう欠点を有ゴる。さらに、化合、物半導体材料を用い
た場合、半導体層８と絶縁層９間の界面の制御性が悪く
なり、実用に適さない。同様な動作原理で働く・ｉＷ電
界効果トランジスタ、ｐ「１接合型、ショットキ接合型
があり、ｏａＡｓ（ガリウム砒素）のような化合物半導
体材料を用いたショットキ接合型、イワユるＭＥＳＦＥ
Ｔが実用に供されているが、いずれの場合にも、接合の
障壁高さが数ｉｍＶ以上であるため、消費電力が１ゲー
ト当り１ｏμＷ程度と比較的大きい。また、障壁高さが
高いため、低雑音動作罠も限界がある。

この発明は、上述の点にがんがみてなされたもので、従
来のバイポーラトランジスタの特に接合障壁が高いこと
による消費電力並ひに雑音の大きさを低減させ微小１阿
号の低雑音高感度増幅あるいは低レベル高速スイッチン
グ火可能ならしめた新しい能動機構に基づくバイポーラ
トランジスタを得ること欠目的とするものである。また
、この素子を基本とする集積回路の製作により、高感度
広帯域増幅器ないし高速論理回路等の実現を可能にする
ものである。以下この発明を図面に基づいて説明する。

第３囚はこの発明の一実施例としてのスーパ・ショット
キ・トランジスタの基本購成を示す図である。同図に示
１よ５に、このトランジスタは、ｎ＋型（またはｐ＋型
）の基板１の上にさらＫ　ｎ型（またはｐ型）不純物半
導体７ＰＮ　（以下不純物層という）１３を主Ｋ　Ｍ　
Ｂ　Ｅ等の結晶成長によって形成し、その上Ｉｃ　ｐ形
（またはｎ型）不純物半導体層（以下不純物層という）
１４乞同じく主に結晶成長によって形成する。続いて半
絶縁性半導体層（以下半絶縁物層とい５）１５Ｙ結晶成
長法により形成した後、超電導体金属電極１６．電村イ
１ｒ。

１８ｆｔ設けてトランジスタとして措成イるものである
。ここで、不純物層１３．不純物層１４．半絶縁物層１
５は基本的圧は同一物質を１σ体とし、それぞれ所要の
不純物濃度ないしは半絶縁１脅を形成するようにドーパ
ントの制御を行って作るものである。また、不純物層１
３．不純物層１４間はｐｎ接合の代りに、ペテロ接合と
なるように祠相の選択を行ってもよい。さらに、超電導
体金属電極１６と半絶縁物Ｉｆ４１５間に形成されるシ
ョットキ障壁高さは、オーム性になら７エい程度九低い
値となるような組み合わせを選ぶものとする。基板１は
その上に成長する不純物層１３．不純物層１４゜半絶縁
物層１５０拐料が結晶として成長するために、これらの
材料との格子整合のとれたものとし、成長層と反対側に
オーム性の電極１８ケとりつけろものとする。

この構造の具体例として、例えは、基板１にｎ型Ｉｎｋ
（インジウム燐）ないし、ｎ型ｏａＡｓ　（ガリウム砒
素）、不純物層１３，１４．半絶縁物層１５の母体とし
てＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）を用い、不
純物層１３はｎ型、不純物層１４はｐ型、半絶縁物層１
５は半絶縁性になるように不純物濃度の制御を行う。不
純物層１３．不純物層１４間にペテロ接合を用いる。９
エ合は、不純物層１３Ｋｎ型ＩｎＧａＡｓ、不純物ｒｆ
Ｎ　１４にｐ型ＩｎＰないしｐ型ＩｎＡＩＰ（インジウ
ムアルミニウム燐）を用い、半絶縁物層１５Ｉｌｃは半
絶縁性１ｎｌ’を用いる。この場合半絶縁物層１５部分
は数ｌｏｉ以下と極めて薄くして不純物層１４や超電導
体金属電！！１６を設けることもできる。さらに、超電
導体金属電極１６の材料としては、ｐｂ（鉛）、Ｎｂ（
ニオブ）等の超電導材料を用い、その酸化等劣化を防ぐ
ため、金等の材料で覆うものとする。また、を極１７．
１８には金等を用いる。

このような構造とすること匠より、超電導体金属電極１
６の超電導材料の超電導転移温度以下の動作温度で、従
来のバイポーラないしは電界効果型トランジスタと相異
なる動作原理九基づく、微小信号レベルの高感度低雑音
増幅または低レベル高速スイッチング動作を行わせるこ
とができる。

すなわち、従来のｐｎ接合の代わりに、スーパ・ショッ
トキ接合ン用いること釦より、±ＩｍＶ前後において、
超電導体金属電極１６と不純物層１４０間に効率のよい
トンネル注入を行わせることができる。こ第１は超電導
体金属の状態密度が±１ｍＶ前後において挿めて太きい
ため、トンネル電流ｌ増大させ得ることによる。このと
き、トンネル抵抗を下げ効率よく注入な行わせるため、
ショットキ障壁が極めて低い１ｍＶに近い値を得るため
に、障壁高さを低（し得る半導体材料を用いる必要があ
り、例えは、Ｉ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ系等の材料の他、
Ｇ　ｄ　ＨｇＴｅ、Ｐｂ、５ｎＴｅ等が考えられる。さ
らに、逆方向の侵洩電流、な減少さぜるためＫ　、　ｍ
４　＜薄い半絶縁物層１ｊＹ挿入する。トンネル電流の
制御は、超電導体金属電極１６．ｌｌｔ掩１１間に印加
する電圧により行う。このよう妊して不純物層１４に注
入された荷電粒子は、不純物層１３．１４間のｐｎ接合
またはへテロ接合に印加されてぃろ電圧によって集めら
れ基板１を通って電極１８に集められろ点は通常のバイ
ポーラトランジスタの場合と同一である。また、通常の
′電界効果トランジスタの場合と異プＬす、超＋Ｉｆ、
導体金属電極１６が金属である忙も関わらず、動作温度
乞通常極低温に保ち超電導体とするため低レベルでの注
入電極となっている点に特徴がある。上述の月相を用い
た具体例によれは、超電導体金属ｉ！検１６がら超ｍ導
トンネリングによって注入された電子は、誦常のバイポ
ーラトランジスタにおけろベース領域、不純物層１４に
おいて僅かな再結合忙よる減少を経て、不純物層１４．
１３間のｐｎ接合また１ｌｌ−＼テロ接合障壁を越え不
純物層１３の領域に到達する。電流到達率がベース領域
の損失忙より減少゛することは通常のトランジスタと同
一であり、超′１に導体金ｙ４電極１６のように超電導
体金属を用いたスーパ・ショットキ接合を用いろととも
にショットキ障壁高さを低くするため混晶半導体材料ケ
用いることによって、微小信号の高感度低雑音増幅ある
いは、低レベル高速スイッチングを可能ならしめている
。不純物層１３および１４間のｐｎ接合またはへチル接
合は上述の具体例の材料を用いることにより、極めて浅
い接合障壁を持つ構造を作り、低雑音化並びに低消＊電
力化１図るものとする。

ｐｎ接合の構造は、この目的のために通常の接合伝導機
構の他、トンネル機構によっても伝導する構造を含むも
のである。

第４図、第５図はこの発明の他の実施例を示すもので、
第３図に示すこの発明の基本構成であろバイポーラトラ
ンジスタの変形例である。

第４図に示１構造は、第３図に示す構造を作り、七〇牛
絶縁物層１５を取り除い℃、直接不純物層１４と超成導
体金ＪｔＡ電極１６火接）ケ１むさせ、不純物Ｐ１４．
超電導体金属′ル極１６間に形成されるショットキ障壁
、高さが適当な大きさになる材料を用い、それに伴つ℃
形成される空乏Ｊ□□□を第３図に示す半絶縁物４１５
０代りに１゛ることに特徴がある。

このような構造のトランジスタは、不純物濃度および膜
厚の制御＋／ｈの良い単結晶成長手段、例えばＭＢＩＥ
、ＭＯ−ＣＶＤ、ＬＰＥないしＣＶＤ等の成長方法を用
いて行う。Ｊなわら、Ｎ、ｂ　、　ｋ’　ｂ等の超電導
体金属との間に形成されるショットキ障壁高さが低い半
導体材料と格子整合のとり易い材料の基板１を選択し、
この基板１０表面を機械的平坦性がよく、かつ原子レベ
ルで清浄にして、その上に所要特性を持った不純物層１
３．１４．半絶縁物層１５を順次ＭＢＢ等の単結晶成長
手段を用いて単結晶を成長させて形成するものである。

第５図に示１措造は実際の’Ｉｔ’！　、ｉｉ、’ｊ技
６１Ｇ上の都合にかんがみてなされたものであり、基本
的動作原理は第３図のものと同一で、基板１と不純物層
、１３０間に緩衝層１９を設けたものである。この緩衝
層１９は基板１と不純物層１３０間の格子整合をとり、
その清浄表面上に良質な不純物層１３，１４゜半絶縁物
層１５を形成させるためのもので、通常基板１と同種の
半導体からなり、基板１の上忙不純物層１３．１４およ
び半絶縁物層１５の成長方法と同じ方法で成長させる。

この方法を採ることにより、格子整合の良くとれた良質
の半導体屑が得られることに特徴がある。

具体的例としては、詑３図に示す実施例の具体例と同様
、基板１の半導体ＩｎＰの上にｎ型（またはｐ型）Ｉｎ
ＰＩＦｌを緩衝層１９として成長させた後、ＩｎＧａＡ
、ｓの不純物層１３．．１４および半絶縁物層１５を成
長させるか、または不純物Ｍ１３としてＩｎＧａＡ、ｓ
ｓ不純物屑１４および半絶縁物層１５として１ｎＰＩｉ
あるいはＩ　ｎＡ、ＩＡｓ　Ｊｆ４　Ｙ成長させる。

その後、超電導体金属よりなる電極層を半絶縁物層１５
上に形成し、この表面にさらにフォトエツチング等の工
程により所望個所に、超電導体金属電極１６．電４ｔｉ
１？および電極１８を形成し基本構造な完成させる。

上記のような基本構造ならびに動作原理に基づく集積回
路は超電導体金属ＭＬ極１６の層まで形成された構造物
上に、相互接続を含む複合パターンをフォトエツチング
等の工程により形成することによって作成するのである
。

第３図乃至第５図忙示１ｊａ造において一各相料の厚さ
は、大路次の通りとなる。基板１はＩｎＰ。

Ｇ　ａＡ　Ｓ　ｍ　　Ｉ　ｎ　ＡＳなどからなる半導体
層で厚さ１００μｍ　〜５００μｍ、不純物層１３はＩ
ｎＧａＡｓなどからなる低障壁高移動層で厚さ５００八
〜０．５μｍ。

不純物層１４はＩｎＰ、ＩｎＡＩＰ”ＥたはＩｎＧａＡ
ｓなどからなるベース形成層で暦さ３００八〜０．２μ
ｍ、半絶縁物層１５はＩｎＰｔたは１ｎＧａＡｓなどか
らなる障壁漏洩電流調整層で厚さ０〜１００ｋ、緩衝層
１９は１ｎＰまたは１ｎＧａＡ８などからなり基板１・
と格子整合のための活性層で厚さ０．５μｍ〜１−μｍ
とする。また、超電導体金属虱権１６は、厚さはＮｌ）
　ｓ　ｏ　７Ｖ〜０．２μｍ−＋−Ａｕ　Ｉ　（１０Ａ
〜０５μｍ、ないしばｐｂとＩｎとＡｕの合金利で厚さ
０．２μｍ程度とする。オーム性の電極１７．１８は各
々の基板に応じた金属を用い任意の厚さとする。

以上詳細に説明したようにこの発明に係るスーパ・ショ
ットキ・トランジスタは、超電導体金属層と第１および
第２の半導体層との王者の接合から構成され、超電導体
金属層をエミッタまたはコレクタとし、第１の半導体層
をベース、第２の半導体層をコレクタまたはエミッタと
したので、このスーパ・ショットキ・トランジスタを集
積回路の基本構造と１れば、μＶ以下の微小信号の広帯
域高感度増幅回路、ならびに１ｍＶ前後の微小論理振幅
の低消費電力高速論理回路の作成が可能となる。また、
超電導体金属の超電導転移温度以下の、主に極低温領域
で使用ずれは雑音レベルおよび消費電力とも、従来のシ
ョットキ・トランジスタに較べて約２桁の性能向上が見
込まれるから、スーパ・ショットキ・ダイオードやジョ
セフソン接合ダイオード等の高感度電磁波検出器並びに
一般の低雑旨増幅器の初段Ｉ　ｌ”増幅器、Ｓ　Ｑ　［
Ｊ　Ｉ　Ｌ）等高感度センサの初段増幅器、ジョセフソ
ン論理演算回路等と同様の低レベル低消費電力論理演算
回路を構成することができる等の極めてすぐれた効果を
有する。ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のバイポーラトランジスタの構成略図、第
２図は従来の１口、界効果トランジスタの構成略図、第
３図はこの発明の一実施例としてのスーパ・ショットキ
・トランジスタの構成略図、第４図、第５図はその変形
例の構成略図である。 図中、１は基板、１３．１４は不純物層、１５は半絶縁
物層、１６は超電導体金属↑ａ、倹、１７゜１８は電極
、１９は緩衝層である。 ｉ゛”−・・、゛・　１ 第１図 第３図 第４図 第５図 昭（１１１７イｌ’／／　　　月　　　／　７１１１　
＝ｌＮ’ｌの表示 昭和Ｓり年特Ｉｒｆ願第１乙３３９θ号その袈危方法 ３ｈ１１正をする者 事件との関係　待針出願人 東京都丁（いＩＩ　ｌ／ｌ’、ｉか関］　１’　ＩＩ　
：（ｉｆｉ　ｌ　’弓４指定代理人 茨城ｌｌ、１新治郡桜Ｈｔｌ＋ｉ園１１１１１吊４−；
００３５１栗技術院 Ｉｉｒ技術技術総合研究所得々力 ５匍正の対象 明細書中の発明の詳細な説明の瘤 ６袖正の内容 を印加」を「電圧数Ｖを印加」と訂正する。 （２）　　同、第ｇ頁第７９行の「ｐ型１１１Ａ１ｐ　
（−（ンジウムアルミニウム燐）」を「ｐ型ＩｎＡｌＡ
ｓ　（インジウムアルミニウム砒素）」と訂正する。 （３）同、第１０頁第グ行の「ＧｄＨｇＪを「０曲ｇ」
と訂正する。 （４）　　同、第１４’頁第１行の「所望個所」を「所
要個所」と訂正する。 （５）　　同、第１頌第１ダ行の［ＩｎＡｌｐ　Ｊをｉ
　］　ｎＡｌＡｓ　Ｊと訂正する。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）超電導体金属層と第１および第２の半導体層との
   王者の接合から構成され、前記％イ４　’＋１１．導体
   金属層をエミッタまたはコレクタとし、Ｆ＋ＩＩ　Ｔｌ
   １３第１の半導体Ｊｆ４をベース、前記第２の半導体層
   なコレクタまたはエミッタとイることヲｌｒ♀徴とずろ
   スーパ・ショットキ・トランジスタ。
2. （２）　　超電導体金属層と第１および第２の半導体層
   との王者の接合から構成され、前記超電導体金属層をエ
   ミッタまたはコレクタとし、＾ＩＩ　Ｍｊ：第１の半導
   体層をベース、前記第２の半導体層をコレクタまたはエ
   ミッタとし、さらに前記第１の半導体層として前記超電
   導体金属層と前記第１の半導体層間に形成されるショッ
   トキ障壁高さを低くするための半導体材料および構造を
   用いたことな特徴と１−ろスーパ・ショットキ・トラン
   ジスタ。
3. （３）超電導体金属層と第１および第２の半導体層との
   三者の接合から構成され、前記超電導体金ＦＡ層をエミ
   ッタまたはコレクタとし、前記第１の半導体層をベース
   、前記第２の半導体層ｔコレクタまたはエミッタとし、
   さらに前記超電導体金属層と第１の半導体層間に漏洩電
   流を少なくする半絶縁性半導体層を形成したことを特徴
   と１ろスーパ・ショットキ・トランジスタ。
4. （４）ｎ　　型■ｎＰまたはｎ　型ＱａＡＳの基板上に
   ｎ型に不純物ドープしたＩｎＧａＡｓからなる第２の半
   導体層と、ｐ型に不純物ドープした１ｎＧａＡｓからな
   る第】の半導体１９１Ｇと、不純物ドープなしないＩｎ
   ＧａＡｓからなる半絶縁性半導体層とを順次成長形成し
   、さらに＾ＩＩ　Ｒｉ４半導体層構造上に超電導体金属
   であるＮ　ｂまたはＰｂの金鵬層ケ設置Ｊた後、所要各
   電極部を構成して３次元構造を得ることン特徴とするス
   ーパーショットキ・トランジスタの製造方法。