JPS6167965A - 電界効果半導体デバイス - 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】 〔産業１の利用分野〕 この発明は、絶縁基板の表面に設けられた半導体材料層
をベース層とし、この層がソースおよびドレンとして作
用する２つの区域の間に重電性のチャネルを形成し、そ
の前面が電気絶縁性の中間層（＝よって制御電極（ゲー
ト）から分離されてｌ、Ｎる薄膜構造の電界効果半導体
デバイス：；関するものである。

〔従来の技術〕

電界効果トランジスタＦＥＴは直流ならびに交流電圧増
幅用の半導体デバイスであり、金属電極と絶縁層と半導
体とがコンデンｆ−類似のＭＩＳ構造を構成する。半導
体部分にはソースとドレンと呼ばれる２つの接融領域が
あり、金属電極ζ二はゲートと呼ばれている下３の接続
部がある。デートに正又は負の電圧を印卯することによ
り半導体の表面区域にはそこに侵入する電界により負又
は正のキャリヤが誘起される。これが電界効果と呼ばれ
〔いる。ソースとドレンの間（；電圧を印卯すると電流
が流れ、その大きさはゲートとソース間の電圧に関係す
る。

ＦＥＴの中では半導体が単結晶シリコンであり、ゲート
絶縁層が薄い（厚さ０１μ５）ｓｔｏｔ層であ１１．デ
ート電極がポリシリコンであるＭＯ８ＦＥ・ｒが最も良
＜　’６１られている。このトランジスタは集積回路の
構成に広く使用され、ｎチャネル・トランジスタとｐチ
ャネル・トランジスタとがある。一般的にはＦ　ｇ　’
ｒはユニポーラ−・デバイスと呼ばれ′〔いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明の目的は、ドレン電圧とゲート電圧の大きさと
極性によってｐチャネルにもれチャネルにもなるＰＥＴ
を提供することである。

Ｌ問題点の解決手段ｊ この目的は冒頭に挙げた電界効果半導体デバイスＣ：お
いて、ソース・ベース接続とドレン・ベース接続を共に
オーム接融として構成し、ベース層は真性半導体あるい
は低濃閲ドープ半導体とし、ゲート電極に対して反対側
のベース履背面（：は固定表面電荷があって、多数キャ
リヤ空乏領域を作ることによって達成されろ。この表面
電荷はへ°−ス基板間あるいはへ−スと保護層間の境界
面電荷となっている。

（発明の作用効果〕 この発明によるＰＩ（Ｔはピッチ・オフ現象が起らない
点で通常のＦＥＴと異っている。出発時の特性曲線に電
流飽和が起ることは確かであるが。

ドレン電圧の交替によりソースにおいて電子が優勢であ
るとドレンから正孔が流れ込むから、擬似プレー七朽ク
ン現象が起る。この場合チャネルの特定の点において局
所的コンダクタンスが最小、電界が最大となる。この情
況はオーム接触がいずれのキャリヤをも阻止しないこと
から可能となる。

チャネルのコンダクタンスには電界効果により逆向きに
移動する電子と正孔が寄与する。局所的のコンダクタン
スはソースとドレンの間で変化し、又電子と正孔のコン
ダクタンスに寄与する比率も変化する。従ってソースで
は電子伝導が優勢であり、ドレンでは正孔伝導が優勢で
あること、あるいはその逆が起り鳴る。これは通常のユ
ニポーラ−Ｆ’ＥＴではなく、アンビボーラーＦＥＴで
あることを意味している。

へ゛−ス層の両側な誘電層とそれに続くデート電極で覆
うこともこの発明の枠内にある。この場合両側のデート
は互に無関係に動作させても、あるいは並列も二接続し
ておいてもよい。

ベース両側に絶縁されたデートが設けられているデバイ
ス即ちＭ　［’Ｓ　Ｉ　Ｍ構造は文献［ｒイ・イー−イ
ー・イー　トランナクｉ／ヨンズ　エレクトロン　１バ
イＸＪ　　（ｒＥＦｉＢ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｎｓＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　　）ＥＤ−
３０，［＋ｚ］、＋９８３゜ｐ＋７１７−１７２６によ
り公知である。この発明によりオーム接触を備える薄膜
トランジスタの二重制御の場合、層のコンダクタンスは
ベース両側の蓄噴層と反転層の双方が直接チャネル電流
に寄与するので、両方のデートから影響を受ける。

オーム接触を備える薄膜構造は大面積のトランジスタ（
−も短チヤネルトランジスタζ−も適用される。

オーム接触は空間電荷領域を含まないから、トランジス
タのチャネル長の縮小にはパンチスルーの危険は妨害に
ならない。従ってオーム接触により整流接触の場合より
も短いチャネルが達成される。

短いチャネルの場合充分高い開放抵抗となるように任意
する必要がある。オーム接触の場合には開放状態におい
て低ドープフィセムのできるだけ全部の手数キャリヤが
その幅全体に亘って除かれていなければならない。ゲー
トが１つだけ設けられていると、層はそれＣ：応じて薄
くする必要がある。

層背面の１７ｊ定電荷がそれだけで多数キャリヤが少く
とも層中央まで除かれるように調整されると、できるだ
け大きな開放抵抗の確保に役立つ。

この発明は次の考案に基くものである。

無定形シリコンのベース上１ニスバツタされた銀層をソ
ース・ドレン潰触とするＦＢＴはバイポーラ型であって
、オーム接触の場合に期待される特徴的な特性を示す。

一方ユニボーラＦｇＴは「パオ・チー・モデ／Ｉ／Ｊ　
（Ｐａｏ、　Ｓａｈ　：　Ｓｏｌ、　ａｔ、　Ｅｌ−ｅ
ｃｔｒｏｎｉｃｓ、　　＋９５６．９．９２７−９３７
）によって基本的に理解されるものである。この−次元
モデルはソースとドレンにおいての境界条件を凰種類の
キャリヤだけがチャネルを通しての電流伝送により得る
ものとしてシミュレートしている。バイポーラＦＰＪＴ
の動作を説明するため（＝は、パオ・チー・モデルを変
更して電子と正孔とがボルノ・７ン平衡において相互に
作用し合うものとする。この状！島は最初（−オーム接
！＠１：おいて達成されるが、電界勺果とも一般に両立
できるものである。比較のために無電流のｐｎ接合を考
える。ＰＥＴにおいても垂］α方向では無電流と考えら
れるが、これはパオ・チー・モデルで考慮されているグ
ラシュアル・チャネル近似においてである。変更された
パオ・チー・モデルとＥ記の考案が基本的に一致するこ
とから、バイポーラＦＢＴの概念とその実現可能性は確
実である。この概念は原理的に簡単であり明白であるか
ら、無定形シリコン層をもって実現されるだけではな（
、ｎ型ともｐ型ともなり得る任意の半導体材料によって
も実現されるものである。バイポーラＦＥＴの半導体層
の厚さはデバイ長より余り厚くはしない。

無定形シリコン層はグロー放電、スパッタリング、ＣＶ
Ｄ等の種々の方法で沈積させることができる。バイポー
ラＦＷ’ｒｌ：対しては無定形シリコンの外に、微結晶
シリコン（これもグロー放電で析出する）又は通１？１
１のＣＶＤによりポリシリコンも使用される。更に単結
晶シリコンも例えば５ｏｌ（５ｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　１
ｎｓｕｌａｔｏｒ　）技術Ｃ；おいて好適であり、　　
Ｉ−ｖ族化合物およびＩＩ−Ｗ族化合物例気ばカドミウ
ム・チル・しも使用されろ。

半導体薄膜の析出には分子ビームエビタキンイが次第に
多く使用されるようになったが、この方法はバイポーラ
ＦＥＴの製作にも好適である。この場合無定形、多結晶
および単結晶のベースとなる。

低１度ドープ又は真性半導体層への接触の形成はバイポ
ーラＦＥＴ製作工程の主要な段階である。

金属層のスパッタリングも一つの方法であり、ソースと
ドレン領域の再結合異原子による転換例えば！　素又は
アルゴンの・ｆオン圧入による粗面化も可能な方法であ
る。

基板としてはシリコン単結晶上のｓｈｏ、層が好適であ
り、これによって三次元集積に向って一歩進めることが
できる。それ以上の進展も可能である。

バイポーラＦＥＴはｎチャネル又はｐｆヤネル・トラン
ジスタ又はその双方として使用される。

半導体層のドーピングを変えることによりｎ型伝導とｎ
型伝導のいずｉｔかが有利となるこの種のＦＥＴの型破
りの特性は、回路技術に今迄想像されなかった可能性を
もたらすものである。

〔実施例〕

１面についてこの発明を更（＝詳細に説明する。

第１図乃至第３因はこの発明の１つの実施例の断面を示
すもので、各番号は次のものを表わしている。

１：例えばガラス、サファイア、５ｉｎｔの絶縁基板 ２：例えばアルミニウム又は銀のドレン接触部３：例え
ばアルミニウム又は銀のソース接触部４：例えば微結晶
又は多結晶シリコンのトランジスタ々−スとしての能動
半導休店 ５．５ａ：例えば８１０．又は窒化シリコンの訪電鳴 ａ、６ａ：例えばアルミニウム又は高濃度ドープポリシ
リコンのゲート電極 ７：＃を界面電荷 ８：絶縁材料例えばｓ　ｔ　ｃｉ、の保護層第１図の実
施例と第２図の実施例の差異は、第１図ではソースとド
レンの接触が直接基板上（＝ありゲート電極がその上に
置かれているのに対して、第２図ではこれが逆になり表
面が保護層８で覆われていることである。

第３図は第１図と第２因の組合せであって、２つの絶縁
されたゲート電極（５，５ａ、　　ａ、　　ａａ）が互
に無関係に動作するかあるいは並列に接続される。

第４図と第５図にはドレン電流Ｉ、とドレン電圧Ｕ。の
関係を示すもので、第４又は正規のｎチャネルｐｇ’ｒ
　、第５図は正規のｐチャネルＦ’ＥＴである。

第６図から４＋Ｏ図にはソース電極が接地されたバイポ
ーラＦＥＴの初期特性ｊｌＢ線を示す。従来のしきい値
電圧に代るトランジション電圧ＵＴにおいて平均チャネ
ルコンダクタンスは最小である。

第６図はゲート電圧Ｕ。がトランジション電圧ＵＴより
も著しく高い場合のドレン電流とドレン電圧の関係を示
す。第７図はＵｏ＞ＵＴの場合で、擬似ブレークダウン
は特定の電圧（ＵＤ＞Ｏ）においてＩＤの島、激な上昇
として認められる。第８図はＵ。ζＵＴの場合で、電流
の飽和が起らない特異な特性曲線である。第９因ではＵ
。＜Ｕ。

であり、擬似ブレークダウンは特定の電圧ＵＤく０にお
いて■、のＡＩＭｋな上昇として認められる。

最後に第１Ｏ図はＵ。＜ＵＴの場合である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図まではこの発明の３種の実施例の断面
を示し、第４囚と第５図は従来のｎチャネルＦＥＴとｐ
チャネルＦｇＴの初期特性曲線を示し、！＜　６　ｕか
ら第１Ｏ図まではこの発明によるバイポーラＦＩＴｈ’
ｒ’の初期特性曲線を示す。第１図乃至第３図において １・・・基軸、　　２・・・ドレン接触部、　　３・・
・ソース接触部、　　４・・・　トランジスタベース層
、６と６ａ・・−ゲート電（−；ハ、　　８・・・保護
絶縁層。 ＦＩＧＩ ＩＧ３ ＦＩＧ４　　　　　　　　　　　　　ＦＩＧ５ＩＧ　６ ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）絶縁性基板（１）の表面に設けられた半導体層がベ
   ース層（４）となつてソース（３）とドレン（２）とし
   て作用する区域の間に導電チャネルを形成し、この導電
   チャネルの前面が電気絶縁性中間層（５）によつて制御
   電極（６）から分離されている薄膜構造の電界効果半導
   体デバイスにおいて、ソース・ベース接合（３、４）と
   ドレン・ベース接合（２、４）がオーム接触であり、ベ
   ース層（４）が真性伝導性であるかあるいは低濃度ドー
   プされていること、ゲート電極（６）に対して反対側に
   あるベース領域半面が固定した境界面電荷を備え、それ
   によつて多数キャリヤ空乏領域が作られることを特徴と
   する電界効果半導体デバイス。 ２）ベース層（４）が両側から誘電層（５、５ａ）とそ
   れに続くゲート電極（６、６ａ）によつて覆われ、両ゲ
   ート電極は互に無関係に動作するかあるいは並列に接続
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の電界効果半導体デバイス。 ３）ベースを構成する半導体層（４）が非晶質、微小結
   晶質、多結晶質又は単結晶型のシリコンであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の電界効果半導体デ
   バイス。 ４）半導体層（４）が単結晶シリコンであるときＳＯＩ
   技術が採用されることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の電界効果半導体デバイス。 ５）ベースを構成する半導体層（４）がIII−Ｖ族化合
   物半導体、特にガリウム・ヒ素又はインジウム・アンチ
   モンであることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載の電界効果半導体デバイス。 ６）ベースを構成する半導体層（４）がII−VI族化合物
   半導体、特にカドミウム・テルルであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項記載の電界効果半導
   体デバイス。 ７）ベースを構成する半導体層（４）が分子線エピタキ
   シイによつて作られていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項乃至第６項の少くとも１つに記載の電界効果
   半導体デバイス。 ８）ソース（３）およびドレン（２）として作用するオ
   ーム接触が金属、例えば銀の陰極スパッタリングによつ
   て作られていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第７項の少くとも１つに記載の電界効果半導体デバ
   イス。 ９）オーム接触（２、３）に予定されているベース層区
   域（４）が例えば窒素又はアルゴンのイオン注入によつ
   て作られた格子欠陥を備えていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項乃至第７項の少くとも１つに記載の電
   界効果半導体デバイス。 １０）オーム接触（２、３）を予定されているベース層
   区域（４）が異原子のドーピングにより短寿命になつて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第８項
   の少くとも１つに記載の電界効果半導体デバイス。