JPS6236861A - High speed semiconductor device - Google Patents
High speed semiconductor deviceInfo
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- JPS6236861A JPS6236861A JP60174994A JP17499485A JPS6236861A JP S6236861 A JPS6236861 A JP S6236861A JP 60174994 A JP60174994 A JP 60174994A JP 17499485 A JP17499485 A JP 17499485A JP S6236861 A JPS6236861 A JP S6236861A
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- JP
- Japan
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- layer
- compound semiconductor
- electrons
- base layer
- holes
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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
- H10D48/30—Devices controlled by electric currents or voltages
- H10D48/32—Devices controlled by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H10D48/36—Unipolar devices
- H10D48/362—Unipolar transistors having ohmic electrodes on emitter-like, base-like, and collector-like regions, e.g. hot electron transistors [HET], metal base transistors [MBT], resonant tunnelling transistors [RTT], bulk barrier transistors [BBT], planar doped barrier transistors [PDBT] or charge injection transistors [CHINT]
Landscapes
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔概要〕
本発明は、高速半導体装置に於いて、化合物半導体エミ
ッタ層からの電子或いは正孔でガス層が生成される化合
物半導体ベース層と、該化合物半導体ベース層とのへテ
ロ界面近傍にポテンシャル・バリヤが生成されバイアス
電圧印加時に伝導帯或いは価電子帯を上昇或いは下降さ
せて電子或いは正孔を前記化合物半導体ベース層に注入
する化合物半導体エミッタ層とを備えてなる構成とする
ことに依り、確実に動作して高性能を発揮することがで
き、しかも、現今のMBE技術で容易に製造することが
できるようにしたものである。[Detailed Description of the Invention] [Summary] The present invention provides a compound semiconductor base layer in which a gas layer is generated by electrons or holes from a compound semiconductor emitter layer, and a compound semiconductor base layer in a high-speed semiconductor device. a compound semiconductor emitter layer in which a potential barrier is generated near the heterointerface of the compound semiconductor emitter layer, and when a bias voltage is applied, the conduction band or valence band is raised or lowered to inject electrons or holes into the compound semiconductor base layer. This structure ensures reliable operation and high performance, and can be easily manufactured using current MBE technology.
本発明は、ホット・エレクトロン・トランジスタ(ho
t electron transistor:H
ET)と呼ばれる高速半導体装置の改良に関する。The present invention is a hot electron transistor (ho
telectron transistor:H
This invention relates to improvements in high-speed semiconductor devices called ET.
第4図は従来のA、 (l G a A s / G
a A s系ヘテ口接合HETの動作を説明する為のエ
ネルギ・ノ〈ノド・ダイヤグラムを表している。Figure 4 shows the conventional A, (l G a A s / G
It represents an energy node diagram for explaining the operation of an aAs-based heterojunction HET.
図に於いて、1はn型GaAsエミ・ツタ層、2はノン
・ドープのAj!GaAsエミッタ側ポテンシャル・バ
リヤ層、3はn型GaAsベース層、4はノン・ドープ
のAl1GaAsコレクタ側ポテンシャル・バリヤ層、
5はn型GaAsコレクタ層、E□はエミッタに於ける
擬似フェルミ・レベル、EFllはベースに於ける擬似
フェルミ・レベル、El−9はコレクタに於ける擬似フ
ェルミ・レベル、eはAl1GaAsエミッタ側ポテン
シャル・ツマリヤ層2をトンネリングしたホ・ノド・エ
レクトロン、ΔEcはAI!GaAsとGaAsの伝導
帯エネルギ差をそれぞれ示している。In the figure, 1 is an n-type GaAs emitter layer, 2 is a non-doped Aj! A GaAs emitter side potential barrier layer, 3 an n-type GaAs base layer, 4 a non-doped Al1GaAs collector side potential barrier layer,
5 is the n-type GaAs collector layer, E□ is the pseudo-Fermi level at the emitter, EFll is the pseudo-Fermi level at the base, El-9 is the pseudo-Fermi level at the collector, and e is the Al1GaAs emitter side potential.・Ho Nodo Electron tunneled through Tsumariya Layer 2, ΔEc is AI! The conduction band energy difference between GaAs and GaAs is shown.
このようなHETでは、コレクタ層5とエミ・ツタ層1
間にバイアス電圧を印加した状態で、図示の極性、即ち
、ベース層3に(→−)の、また、エミッタ層1に(−
)の電圧が印加されるとエミッタ側ポテンシャル・バリ
ヤ層2の傾斜が大きくなり、その結果、バリヤに薄い部
分が発生し、エミッタ層lから注入されるエレクトロン
は記号eで示しであるようにエミッタ側ポテンシャル・
バリヤ層2をトンネリングしてベース層3に注入され、
そこでエレクトロンeが持つポテンシャル・エネルギが
運動エネルギに変換され、高速のホット・エレクトロン
になって散乱を受けることなくコレクタ側ポテンシャル
・バリヤ層4を越えてコレクタ層5に注入されるもので
ある。In such a HET, a collector layer 5 and an emitter layer 1
With a bias voltage applied between
) when a voltage of side potential・
tunneled through the barrier layer 2 and injected into the base layer 3;
There, the potential energy of the electron e is converted into kinetic energy, becomes a high-speed hot electron, and is injected into the collector layer 5 over the collector-side potential barrier layer 4 without being scattered.
第4図に関して説明した従来例に於いては、トンネル・
バリヤであるエミッタ側ポテンシャル・バリヤ層2をエ
レクトロンがトンネリングする確率はバリヤの厚さと高
さに大きく依存し、且つ、微妙である為、トンネル電流
の制御は然程簡単ではない。In the conventional example explained with reference to FIG.
The probability that electrons tunnel through the emitter-side potential barrier layer 2, which is a barrier, greatly depends on the thickness and height of the barrier and is delicate, so controlling the tunneling current is not so easy.
また、トンネル電流密度を上昇させるには、ベースに高
い電圧を印加しなければならないが、そのようにすると
、注入されたエレクトロンの運動エネルギが増大し、イ
ンター・バレー(inter valley)散乱を
受は易くなり、コレクタへの到達率が低下してしまう。Also, to increase the tunneling current density, a high voltage must be applied to the base, which increases the kinetic energy of the injected electrons and makes them less susceptible to inter-valley scattering. This results in a decrease in the delivery rate to the collector.
本゛発明は、現在のMBE技術を適用することで容易に
製造することが可能な高速半導体装置を提供する。The present invention provides a high-speed semiconductor device that can be easily manufactured by applying current MBE technology.
エネルギ・バンド・ギャップが化合物半導体エミッタ層
(例えばn型AA!o、s Gao、s Asエミッタ
層14)に比較して狭く且つ電子或いは正孔親和力が該
化合物半導体エミッタ層に比較して大きいことに起因し
て該化合物半導体エミッタ層から遷移した電子或いは正
孔でガス層(例えば電子ガス層20)が生成される化合
物半導体ベース層(例えばn型GaAsベース層13)
と、該化合物半導体ベース層に接して形成され電子或い
は正札を該化合物半導体ベース層に遷移させたことに依
って残留する正電荷或いは負電荷の作用でヘテロ界面近
傍にポテンシャル・バリヤが生成されバイアス電圧印加
時に伝導帯の底(例えばEC)或いは価電子帯の頂く例
えばEV)を上昇或いは下降させて電子或いは正孔を前
記化合物半導体ベース層に注入する化合物半導体エミ・
ツタ層とを備えてなる構成になっている。The energy band gap is narrower than that of a compound semiconductor emitter layer (for example, n-type AA!o, s Gao, s As emitter layer 14), and the electron or hole affinity is greater than that of the compound semiconductor emitter layer. A compound semiconductor base layer (for example, n-type GaAs base layer 13) in which a gas layer (for example, electron gas layer 20) is generated by electrons or holes transferred from the compound semiconductor emitter layer due to
Then, a potential barrier is generated in the vicinity of the hetero interface due to the action of the positive or negative charges that remain due to the transfer of electrons or regular charges formed in contact with the compound semiconductor base layer to the compound semiconductor base layer, resulting in a bias. A compound semiconductor emitter that injects electrons or holes into the compound semiconductor base layer by raising or lowering the bottom of the conduction band (for example, EC) or the top of the valence band (for example, EV) when a voltage is applied.
It has a structure comprising an ivy layer.
前記構成に依ると、高性能を引き出す為の一要因である
半導体装置内の電位分布の生成は、ヘテロ接合の急峻性
とドナー或いはアクセプタのドーピング量に依存するこ
ととなり、これ等は現在のMBB技術に依って充分に制
御された状態で実現することができる。According to the above configuration, the generation of a potential distribution within the semiconductor device, which is one of the factors for achieving high performance, depends on the steepness of the heterojunction and the doping amount of the donor or acceptor, which is difficult to achieve in the current MBB. This can be realized in a well-controlled manner depending on the technology.
第1図は本発明一実施例の要部切断側面図を表している
。FIG. 1 shows a cutaway side view of essential parts of an embodiment of the present invention.
図に於いて、11はn型QaAs基板、12はノン・ド
ープA It o、s G 86.7 A 3アイソレ
一シヨン層、13はn型GaAsベース層、14はn型
Aj!o、s Ga6,5 Asエミッタ層、15はエ
ミッタ電極、16はベース電極、17はコレクタ電極を
それぞれ表している。In the figure, 11 is an n-type QaAs substrate, 12 is a non-doped A Ito, S G 86.7 A 3 isolation layer, 13 is an n-type GaAs base layer, and 14 is an n-type Aj! o, s Ga6,5 As emitter layer, 15 represents an emitter electrode, 16 represents a base electrode, and 17 represents a collector electrode, respectively.
本実施例に於いて、アイソレーシヨン層12は基板11
とベースN13とを分離する役目を果たし、その厚さは
約1500 C人〕程度である。また、ベース層13
の厚さは約500 c人〕程度である。更にまた、エミ
ッタ層14は厚さ約1500 〔人〕程度である。各電
極は、金(Au) ・ゲルマニウム(Ge)/Auを
材料とし、ベース電極16の厚さは約2006人)/2
000(人〕程度である。In this embodiment, the isolation layer 12 is attached to the substrate 11.
Its thickness is approximately 1,500 cm. In addition, the base layer 13
Its thickness is approximately 500 cm. Furthermore, the emitter layer 14 has a thickness of about 1,500 [people]. Each electrode is made of gold (Au)/germanium (Ge)/Au, and the thickness of the base electrode 16 is approximately 2006)/2
It is about 000 (people).
第2図は第1図について説明した半導体装置の熱平衡状
態に於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第
1図に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或い
は同じ意味を持つものとする。Figure 2 shows an energy band diagram in the thermal equilibrium state of the semiconductor device explained in Figure 1, and the same symbols as those used in Figure 1 represent the same parts or have the same meaning. shall be.
図に於いて、20は電子ガス層、ECは伝導帯の底、E
Vは価電子帯の頂、EBI、EB2.EB3ばエネルギ
・バンド・ギヤ・ノブをそれぞれ示している。尚、本実
施例に於いては、
EBl、=2(eV)
EB2=1.45 (eV)
EB3−1.8 (eV)
になっている。In the figure, 20 is the electron gas layer, EC is the bottom of the conduction band, and E
V is the top of the valence band, EBI, EB2. EB3 shows the energy band gear knob, respectively. In this example, EB1=2 (eV) EB2=1.45 (eV) EB3-1.8 (eV).
第3図は第1図について説明した半導体装置の動作状態
に於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第1
図及び第2図に於いて用いた記号と同記号は同部分を表
すか或いは同じ意味を持つものとする。FIG. 3 shows an energy band diagram in the operating state of the semiconductor device explained with reference to FIG.
The same symbols as those used in the figures and FIG. 2 represent the same parts or have the same meaning.
第2図及び第3図を参照しつつ第1図に見られる半導体
装置の動作を説明する。The operation of the semiconductor device shown in FIG. 1 will be explained with reference to FIGS. 2 and 3.
第1図に見られるようにn型Affio、5 Ga0.
5AS工ミツタ層14とn型GaAsベース層13とを
積層すると、ベース層13に於ける電子親和力はエミッ
タ層に於けるそれと比較して大である為、第2図に見ら
れるように、エミッタ層14に於ける電子はベース層1
3に遷移して電子ガス層20を生成し、そして、エミッ
タ層14とベース層13との界面にはエミッタ層14に
残っている正電荷の作用でポテンシャル・バリヤが生成
される。そこで、第3図に見られるように、ベース層1
3を(+)、エミッタ層14を(−)の極性にしてバイ
アス電圧を印加して動作状態にすると、エミッタ層14
に於ける伝導帯の底ECが高くなり、エミッタ層14か
らの電子はエミッタ層14とベース113との界面に於
いてエミッタ層14側に生成されたポテンシャル・バリ
ヤを容易に越え、或いは、トンネリングしてベース層1
3に注入され、そこでホン1〜・エレクトロンとなって
ベース層13及びアイソレーション層12を通過してコ
レクタ層11に到達する。As seen in FIG. 1, n-type Afio, 5 Ga0.
When the 5AS emitter layer 14 and the n-type GaAs base layer 13 are laminated, the electron affinity in the base layer 13 is greater than that in the emitter layer, so as shown in FIG. Electrons in layer 14 are in base layer 1
3 to generate an electron gas layer 20, and a potential barrier is generated at the interface between the emitter layer 14 and the base layer 13 due to the action of the positive charges remaining in the emitter layer 14. Therefore, as shown in Figure 3, the base layer 1
3 to (+) and emitter layer 14 to (-) and apply a bias voltage to bring it into operation, the emitter layer 14
The bottom EC of the conduction band becomes high, and electrons from the emitter layer 14 easily cross the potential barrier generated on the emitter layer 14 side at the interface between the emitter layer 14 and the base 113, or tunnel. and base layer 1
3, where they become electrons, pass through the base layer 13 and the isolation layer 12, and reach the collector layer 11.
以上説明した半導体装置内に於ける電位分布はヘテロ接
合に於ける急峻性とドナーのドーピング量にのみ依存す
るので、現今のMBE技術の適用で充分な制御性をもっ
て対処することができる。Since the potential distribution in the semiconductor device described above depends only on the steepness of the heterojunction and the amount of donor doping, it can be handled with sufficient controllability by applying current MBE technology.
ところで、前記実施例に於いては、不純物をドナーとし
、電子の動きを利用する半導体装置について説明したが
、不純物をアクセプタとし、正孔の動きを利用する半導
体装置にも本発明を実施することができる。その場合は
、n型の半導体層はすべてp型の半導体層となり、第2
図及び第3図に見られるエネルギ・ハンド・ダイヤグラ
ムは全て逆転したものとなることは勿論である。Incidentally, in the above embodiments, a semiconductor device that uses impurities as donors and utilizes the movement of electrons has been described, but the present invention can also be implemented in semiconductor devices that use impurities as acceptors and utilize the movement of holes. I can do it. In that case, all n-type semiconductor layers become p-type semiconductor layers, and the second
Of course, the energy hand diagrams shown in Figures 3 and 3 are all reversed.
本発明に依る高速半導体装置では、エネルギ・バンド・
ギャップが化合物半導体エミッタ層に比較して狭く且つ
電子或いは正札親和力が該化合物半導体エミッタ層に比
較して大きいことに起因して該化合物半導体エミッタ層
から遷移した電子或いは正孔でガス層が生成される化合
物半導体ベース層と、該化合物半導体ベース層に接して
形成され電子或いは正孔を該化合物半導体ベース層に遷
移させたことに依って残留する正電荷或いは負電荷の作
用でヘテロ界面近傍にポテンシャル・バリヤが生成され
バイアス電圧印加時に伝導帯の底或いは価電子帯の頂を
上昇或いは下降させて電子或いは正孔を前記化合物半導
体ベース層に注入する化合物半導体エミッタ層とを備え
てなる構成を採っている。In the high-speed semiconductor device according to the present invention, the energy band
A gas layer is generated by electrons or holes transferred from the compound semiconductor emitter layer due to the fact that the gap is narrower than that of the compound semiconductor emitter layer and the affinity for electrons or regular tags is greater than that of the compound semiconductor emitter layer. A potential is generated near the hetero interface due to the action of the compound semiconductor base layer and the positive or negative charges formed in contact with the compound semiconductor base layer and remaining due to the transfer of electrons or holes to the compound semiconductor base layer. - A compound semiconductor emitter layer in which a barrier is generated and which raises or lowers the bottom of the conduction band or the top of the valence band to inject electrons or holes into the compound semiconductor base layer when a bias voltage is applied is adopted. ing.
この構成に依ると、例えば第2図及び第3図に見られる
ような電位分布を生成する為に必要とされるのは、ヘテ
ロ接合の急峻性とドナーのドーピング量の如何のみであ
って、そのようなことは、現在のMBE技術に依り、充
分に制御された状態で実現することが可能である。従っ
て、本発明の半導体装置を製造するには何等の困難もな
く、そして、得られた半導体装置はHETとして本来の
高速性をもって確実に動作する。According to this configuration, in order to generate the potential distribution as shown in FIGS. 2 and 3, for example, only the steepness of the heterojunction and the amount of donor doping are required. Such can be accomplished in a well-controlled manner with current MBE technology. Therefore, there is no difficulty in manufacturing the semiconductor device of the present invention, and the obtained semiconductor device reliably operates at the original high speed as a HET.
第1図は本発明一実施例の要部切断側面図、第2図は第
1図について説明される実施例の熱平衡状態に於けるエ
ネルギ・バンド・ダイヤグラム、第3図は同じく動作状
態に於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第4図は
従来のHETに於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラム
をそれぞれ表している。
図に於いて、11はn型GaAs基板、12はノン・ド
ープANo、s Ga(、、Asアイソレーション層、
13はn型GaAsベース層、14はn型Aj!o、s
Gao、s AsIミッタ層、15はエミッタ電極、
16はベース電極、17はコレクタ電極、20は電子ガ
ス層をそれぞれ示している。
一実施例の要部切断側面図
第1図
熱平衡状態に於けるエネルギ・バンド・り゛イヤグラム
第2図
動作状態に於けるエネルギ・ハント・ダイヤグラム第3
図FIG. 1 is a cutaway side view of essential parts of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an energy band diagram in a thermal equilibrium state of the embodiment explained with reference to FIG. 1, and FIG. FIG. 4 shows an energy band diagram for a conventional HET. In the figure, 11 is an n-type GaAs substrate, 12 is a non-doped ANo, s Ga(,, As isolation layer,
13 is an n-type GaAs base layer, 14 is an n-type Aj! o,s
Gao, s AsI emitter layer, 15 is an emitter electrode,
16 is a base electrode, 17 is a collector electrode, and 20 is an electron gas layer. Figure 1. Energy band diagram in thermal equilibrium state. Figure 2. Energy hunt diagram in operating state.
figure
Claims (1)
に比較して狭く且つ電子或いは正孔親和力が該化合物半
導体エミッタ層に比較して大きいことに起因して該化合
物半導体エミッタ層から遷移した電子或いは正孔でガス
層が生成される化合物半導体ベース層と、 該化合物半導体ベース層に接して形成され電子或いは正
孔を該化合物半導体ベース層に遷移させたことに依って
残留する正電荷或いは負電荷の作用でヘテロ界面近傍に
ポテンシャル・バリヤが生成されバイアス電圧印加時に
伝導帯の底或いは価電子帯の頂を上昇或いは下降させて
電子或いは正孔を前記化合物半導体ベース層に注入する
化合物半導体エミッタ層と を備えてなることを特徴とする高速半導体装置。[Claims] Due to the fact that the energy band gap is narrower than that of the compound semiconductor emitter layer and the electron or hole affinity is greater than that of the compound semiconductor emitter layer, transition from the compound semiconductor emitter layer occurs. A compound semiconductor base layer in which a gas layer is generated by the electrons or holes generated, and a positive charge formed in contact with the compound semiconductor base layer and remaining due to the transfer of electrons or holes to the compound semiconductor base layer. Alternatively, a compound that generates a potential barrier near the hetero interface due to the action of negative charge, raises or lowers the bottom of the conduction band or the top of the valence band when a bias voltage is applied, and injects electrons or holes into the compound semiconductor base layer. A high-speed semiconductor device comprising a semiconductor emitter layer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60174994A JPS6236861A (en) | 1985-08-10 | 1985-08-10 | High speed semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60174994A JPS6236861A (en) | 1985-08-10 | 1985-08-10 | High speed semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6236861A true JPS6236861A (en) | 1987-02-17 |
Family
ID=15988359
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60174994A Pending JPS6236861A (en) | 1985-08-10 | 1985-08-10 | High speed semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6236861A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6025615A (en) * | 1992-03-23 | 2000-02-15 | Texas Instruments Incorporated | Microwave heterojunction bipolar transistors with emitters designed for high power applications and method for fabricating same |
-
1985
- 1985-08-10 JP JP60174994A patent/JPS6236861A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6025615A (en) * | 1992-03-23 | 2000-02-15 | Texas Instruments Incorporated | Microwave heterojunction bipolar transistors with emitters designed for high power applications and method for fabricating same |
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