JP2589062B2 - 熱電子放射型静電誘導サイリスタ - Google Patents
熱電子放射型静電誘導サイリスタInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable 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
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
- H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
- H01L29/7391—Gated diode structures
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、半導体デバイスの微細化、高速化の極限に
ある熱電子放射を利用した静電誘導サイリスタに関す
る。
ある熱電子放射を利用した静電誘導サイリスタに関す
る。
［先行技術とその問題点］ 静電誘導サイリスタは従来のpnpn四層構造サイリス
タ、その改良型であるゲートタンオフ（GTO）サイリス
タにくらべると、ゲート抵抗が小さく、電位の制御が空
乏層の静電容量を通して行なわれることで高速になり、
導痛時にはpinダイオードの様に、順方向電圧降下が極
めて小さいという優れた特徴を有していた。しかし、従
来の静電誘導サイリスタはアノード・カソード間、特に
カソード・ゲート間の寸法が比較的大きな構造となって
いたため、キャリアが結晶格子の散乱を受け、上限周波
数が制限され、高速な素子が得られない問題点があっ
た。
タ、その改良型であるゲートタンオフ（GTO）サイリス
タにくらべると、ゲート抵抗が小さく、電位の制御が空
乏層の静電容量を通して行なわれることで高速になり、
導痛時にはpinダイオードの様に、順方向電圧降下が極
めて小さいという優れた特徴を有していた。しかし、従
来の静電誘導サイリスタはアノード・カソード間、特に
カソード・ゲート間の寸法が比較的大きな構造となって
いたため、キャリアが結晶格子の散乱を受け、上限周波
数が制限され、高速な素子が得られない問題点があっ
た。
［発明の目的］ 本発明は上記従来の問題点を解消し、キャリアが結晶
格子の散乱を受けずに、熱電子速度で動くことのできる
熱電子放射型静電気誘導サイリスタを提供することを目
的とする。
格子の散乱を受けずに、熱電子速度で動くことのできる
熱電子放射型静電気誘導サイリスタを提供することを目
的とする。
［発明の概要］ このため、本発明はゲート領域をチャンネル領域より
も禁制帯巾の大きい半導体で構成すると共に、カソード
領域と真のゲート領域の間の寸法および該真のゲート領
域とアノード領域の間の寸法を共にキャリアの平均自由
行程以下にして、熱電子放射が行なわれる様にしたこと
を特徴としている。
も禁制帯巾の大きい半導体で構成すると共に、カソード
領域と真のゲート領域の間の寸法および該真のゲート領
域とアノード領域の間の寸法を共にキャリアの平均自由
行程以下にして、熱電子放射が行なわれる様にしたこと
を特徴としている。
即ち、静電誘導サイリスタの高速化を図るため、寸法
を小さくしてゆくと、カソード領域の前面の電位の山を
越えたものは全てアノード領域側に走ると考えた時に、
キャリアの平均自由行程に近くなり、キャリアは殆んど
格子散乱を受けずに、非常に高速で走行するようにな
る。
を小さくしてゆくと、カソード領域の前面の電位の山を
越えたものは全てアノード領域側に走ると考えた時に、
キャリアの平均自由行程に近くなり、キャリアは殆んど
格子散乱を受けずに、非常に高速で走行するようにな
る。
従って、GaAsを用いた場合で、電位障壁の幅Wgを0.1
μｍとしたときに、遮断周波数はほぼ、780GHz（fckT
/2πｍ*/8.8Wg）となる。
μｍとしたときに、遮断周波数はほぼ、780GHz（fckT
/2πｍ*/8.8Wg）となる。
アノードからの注入も起るために、熱電子放射型の静
電誘導サイリスタの導通時の電圧降下は非常に小さいも
のとなる。
電誘導サイリスタの導通時の電圧降下は非常に小さいも
のとなる。
以上のことから、カソード領域・真のゲート領域間寸
法および真のゲート領域・アノード領域間寸法をキャリ
アの平均自由行程以下にして、静電誘導サイリスタを熱
電子放射構造とすれば、その動作速度は非常に早くする
ことができる。
法および真のゲート領域・アノード領域間寸法をキャリ
アの平均自由行程以下にして、静電誘導サイリスタを熱
電子放射構造とすれば、その動作速度は非常に早くする
ことができる。
［発明の実施例］ 以下、本発明の実施例を化合物半導体として、GaAsを
使用した場合を例にとり第１図〜第４図を参照して説明
する。なお、各図において同一符号は同一または相当部
分を示す。
使用した場合を例にとり第１図〜第４図を参照して説明
する。なお、各図において同一符号は同一または相当部
分を示す。
第１図（ａ）において、１はp+のGaAs基板でアノード
となる領域、９はチャンネルｐ層、３はチャンネル９に
接して設けられたn+で、カソードとなる領域、４はGa
1-xAlxAsで形成されるゲートとなる領域で、断面図のみ
を示しているが、相互に網目状あるいは線状になってい
て、端部が一緒になって、電極となるべき領域は表面に
露出しているもの、５はアノード電極、６はカソード電
極、７は前記ゲート４のうち、表面に形成された部分の
電極であり、８はゲート・カソード間容量（Cgk）を減
少させるべく設けた絶縁物を示す。
となる領域、９はチャンネルｐ層、３はチャンネル９に
接して設けられたn+で、カソードとなる領域、４はGa
1-xAlxAsで形成されるゲートとなる領域で、断面図のみ
を示しているが、相互に網目状あるいは線状になってい
て、端部が一緒になって、電極となるべき領域は表面に
露出しているもの、５はアノード電極、６はカソード電
極、７は前記ゲート４のうち、表面に形成された部分の
電極であり、８はゲート・カソード間容量（Cgk）を減
少させるべく設けた絶縁物を示す。
この構成から判るように、GaAsのように良好な絶縁膜
が得られない化合物半導体においては、ゲートをGaAsよ
りも禁制帯幅の大きい、例えばGa1-xAlxAsのような混晶
で形成することによってゲートを絶縁ゲート類似とする
ことができる。
が得られない化合物半導体においては、ゲートをGaAsよ
りも禁制帯幅の大きい、例えばGa1-xAlxAsのような混晶
で形成することによってゲートを絶縁ゲート類似とする
ことができる。
第１図（ａ）はチャンネル領域をｐ層９とした実施例
で、ゲート領域４とチャンネルのｐ層が反転状態とな
り、ｐ層のゲート領域４と接触している領域がｎ層にな
ると、カソードより電子がチャンネルへ注入され動作す
るようになる。
で、ゲート領域４とチャンネルのｐ層が反転状態とな
り、ｐ層のゲート領域４と接触している領域がｎ層にな
ると、カソードより電子がチャンネルへ注入され動作す
るようになる。
カソードからアノードまでの長さは例えば、0.1μｍ
（1000Å）と言うような値に制御することは可能だが、
ゲート間隔は凡そ、デバイ長を目安として決定する必要
がある。デバイ長λDは下式（１）で、与えられる。
（1000Å）と言うような値に制御することは可能だが、
ゲート間隔は凡そ、デバイ長を目安として決定する必要
がある。デバイ長λDは下式（１）で、与えられる。
ここで、ｎはチャンネルの不純物密度、ｑは単位電
荷、εは誘電率である。ｎが1012cm-3のときに3.95μ
ｍ、1014cm-3のときに0.4μｍ、1015cm-3のときには0.0
4μｍ位となる。おおまかに言って、ゲート領域は２λD
以下にする必要がある。縦方向（カソード・アノード
間）の寸法制御にくらべ、横方向の寸法制御がフォトリ
ソグラフィの精度で決定され、ゲート間隔が小さいと、
製造が困難になる。
荷、εは誘電率である。ｎが1012cm-3のときに3.95μ
ｍ、1014cm-3のときに0.4μｍ、1015cm-3のときには0.0
4μｍ位となる。おおまかに言って、ゲート領域は２λD
以下にする必要がある。縦方向（カソード・アノード
間）の寸法制御にくらべ、横方向の寸法制御がフォトリ
ソグラフィの精度で決定され、ゲート間隔が小さいと、
製造が困難になる。
第１図（ｂ）はオフ状態でのカソードからアノードま
でのゲート領域の間のチャンネルの電位分布を示したも
のである。ゲート領域４、ゲート電極７よりなるゲート
によってカソード領域３の前面に、電子に対してポテン
シャルの一番高い点（山）ができる。この点を真のゲー
ト領域と呼ぶ。
でのゲート領域の間のチャンネルの電位分布を示したも
のである。ゲート領域４、ゲート電極７よりなるゲート
によってカソード領域３の前面に、電子に対してポテン
シャルの一番高い点（山）ができる。この点を真のゲー
ト領域と呼ぶ。
第２図は、カソード６からの電子を効率よくゲート領
域に制限するために、第１図（ａ）の実施例のｐチャン
ネル中にｐ型の高不純物密度領域10を形成して実施した
例である。埋込領域10はカソード側の電子に対し、電位
障壁が高いので、電子はチャンネルの埋込領域の両側を
通るようになる。実際に動作する部分がゲート領域の形
成しているｐチャンネルの側面部分となるため、カソー
ド領域３とカソード電極６は、例えば、0.5μｍ位とし
ても良いことになり、製作は容易になる。
域に制限するために、第１図（ａ）の実施例のｐチャン
ネル中にｐ型の高不純物密度領域10を形成して実施した
例である。埋込領域10はカソード側の電子に対し、電位
障壁が高いので、電子はチャンネルの埋込領域の両側を
通るようになる。実際に動作する部分がゲート領域の形
成しているｐチャンネルの側面部分となるため、カソー
ド領域３とカソード電極６は、例えば、0.5μｍ位とし
ても良いことになり、製作は容易になる。
第３図は本発明の別の実施例であって、ｐ層のチャン
ネル領域９をn+層のカソード領域３に接し、残りの部分
にn-層のチャンネル領域２をp+層のアノード領域１上に
形成した構造である。第４図はチャンネルn-層２の間に
ｐ層チャンネル領域９をチャンネルのカソード近くに挿
入した構造であり、Cgkを小さくし、ゲート領域を小さ
く形成できる実施例である。
ネル領域９をn+層のカソード領域３に接し、残りの部分
にn-層のチャンネル領域２をp+層のアノード領域１上に
形成した構造である。第４図はチャンネルn-層２の間に
ｐ層チャンネル領域９をチャンネルのカソード近くに挿
入した構造であり、Cgkを小さくし、ゲート領域を小さ
く形成できる実施例である。
以上、説明してきた実施例において明らかなように、
カソード領域から真のゲート領域までの距離は熱電子放
射が効率よく起るように、平均自由行程以下にすればよ
い。ゲート領域のGa1-xAlxAsは、GaAsの間の表面準位を
できるだけ減少させる必要がり、GaAsとの間で格子定数
が合うように、Ga1-xAlxAs1-yPyのようにして、小量の
Ｐ（リン）を添加した混晶が望ましい。この場合、ｘ＝
0.3の時に、ｙ＝0.01程度とすればよい。
カソード領域から真のゲート領域までの距離は熱電子放
射が効率よく起るように、平均自由行程以下にすればよ
い。ゲート領域のGa1-xAlxAsは、GaAsの間の表面準位を
できるだけ減少させる必要がり、GaAsとの間で格子定数
が合うように、Ga1-xAlxAs1-yPyのようにして、小量の
Ｐ（リン）を添加した混晶が望ましい。この場合、ｘ＝
0.3の時に、ｙ＝0.01程度とすればよい。
さらに、真のゲート領域からアノード領域までの距離
Wdg′は、平均自由行程以内であれば、次式でおよその
目安が与えられる。
Wdg′は、平均自由行程以内であれば、次式でおよその
目安が与えられる。
Wdg′v/2πｆ ここで、ｖは電子の速度、ｆは動作周波数である。
電子の速度が１×107cm/secの時、100GHz、300GHz、5
00GHz、700GHz、1000GHz（1THz）でのWdg′はそれぞ
れ、1600Å、1100Å、950Å、227Å、160Å程度とな
る。GaAsの場合には、熱電子放射動作では、電子速度は
１×107cm/secより大きいことが予想され、Wdg′は前記
の計算値より更に大きくなることは、在来の飽和速度で
走行するサイリスタよりも、素子製作上、より作り易い
という利点が得られる。
00GHz、700GHz、1000GHz（1THz）でのWdg′はそれぞ
れ、1600Å、1100Å、950Å、227Å、160Å程度とな
る。GaAsの場合には、熱電子放射動作では、電子速度は
１×107cm/secより大きいことが予想され、Wdg′は前記
の計算値より更に大きくなることは、在来の飽和速度で
走行するサイリスタよりも、素子製作上、より作り易い
という利点が得られる。
チャンネルの不純物密度はｉ層から1017cm-3程度と
し、カソード、アノード領域はキャリア注入の為、１×
1018〜１×1020cm-3とすればよい。
し、カソード、アノード領域はキャリア注入の為、１×
1018〜１×1020cm-3とすればよい。
カソードの電極材料としては、Au-Ge、Au-Ge-Ni、Au-
Se、Au-Te等のn+GaAsに対して、接触抵抗が１×10-6Ωc
m2以下となるものがよく、又、アノード電極としては、
Au-Zn、Ag-Zn、Cr-Au等の合金がよい。ゲート領域のGa
1-xAlxAs電極材料としては、前記カソード・アノード用
の電極材料の外に、Ti、Pt、Ｗ、Mo、Cr、Hf、NiのGa
1-xAlxAsに対し、抵抗性接触を形成しない高融点重金属
材料を使用するのがよいといえる。
Se、Au-Te等のn+GaAsに対して、接触抵抗が１×10-6Ωc
m2以下となるものがよく、又、アノード電極としては、
Au-Zn、Ag-Zn、Cr-Au等の合金がよい。ゲート領域のGa
1-xAlxAs電極材料としては、前記カソード・アノード用
の電極材料の外に、Ti、Pt、Ｗ、Mo、Cr、Hf、NiのGa
1-xAlxAsに対し、抵抗性接触を形成しない高融点重金属
材料を使用するのがよいといえる。
素子の製作についての、チャンネル領域、カソード及
びアノード領域は本発明者等の発明による分子層エピタ
キシャル成長法、光分子層エピタキシャル成長法、気相
成長、MOCVD法、MBE法、イオン注入法が使用可能であ
る。カソード・アノード及びゲートの電極の形成には真
空蒸着（抵抗加熱、電子ビーム加熱、スパッタ法）、プ
ラズマエッチング、フォトエッチング、フォトリソグラ
フィ等の組み合わせにより形成される。
びアノード領域は本発明者等の発明による分子層エピタ
キシャル成長法、光分子層エピタキシャル成長法、気相
成長、MOCVD法、MBE法、イオン注入法が使用可能であ
る。カソード・アノード及びゲートの電極の形成には真
空蒸着（抵抗加熱、電子ビーム加熱、スパッタ法）、プ
ラズマエッチング、フォトエッチング、フォトリソグラ
フィ等の組み合わせにより形成される。
また、半導体材料は、GaAsに限らずInP、InAs、II-VI
族半導体、その他の混晶の半導体でもよい。ゲート領域
にはIn1-xGaxP、In1-xGaxAsでもよいのはいうまでもな
い。
族半導体、その他の混晶の半導体でもよい。ゲート領域
にはIn1-xGaxP、In1-xGaxAsでもよいのはいうまでもな
い。
［発明の効果］ 以上の様に、本発明によれば、従来のサイリスタでは
得られない高い周波数領域で、効率のよいスイッチング
機能を有する高速、低損失の熱電子放射型静電誘導サイ
リスタが得られる。
得られない高い周波数領域で、効率のよいスイッチング
機能を有する高速、低損失の熱電子放射型静電誘導サイ
リスタが得られる。
第１図〜第４図はそれぞれ本発明の各実施例に係る熱電
子放射型静電誘導サイリスタの断面図である。 １……アノードとなるべきp+基板、2,9……チャンネ
ル、３……カソード領域、４……GaAsよりも禁制帯幅の
広い半導体で形成されるゲート領域、５……アノード領
域、６……カソード電極、７……ゲート電極、８……絶
縁物。
子放射型静電誘導サイリスタの断面図である。 １……アノードとなるべきp+基板、2,9……チャンネ
ル、３……カソード領域、４……GaAsよりも禁制帯幅の
広い半導体で形成されるゲート領域、５……アノード領
域、６……カソード電極、７……ゲート電極、８……絶
縁物。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西澤 潤一 仙台市米ヶ袋１丁目６番16号 (72)発明者 本谷 薫 仙台市米ヶ袋２丁目１番９号406 (56)参考文献 特開 昭57−13774（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−75464（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−76574（ＪＰ，Ａ) 特公 昭57−51981（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (7)
- 【請求項１】チャンネルとなる半導体領域と、このチャ
ンネル領域の両側に接触して形成される高不純物密度の
カソード領域及びこのカソード領域とは反対導電型の高
不純物密度のアノード領域と、前記チャンネル領域の一
部もしくは全面に接触して、前記チャンネル領域よりも
禁制帯巾の大きい半導体からなるゲート領域とを具備
し、前記ゲート領域と接するチャンネル領域は前記アノ
ード領域と同導電型に形成されると共に、前記カソード
領域とこのカソード領域とは反対導電型の前記チャンネ
ル領域とが接合することにより生じる電位ポテンシャル
の山である真のゲート領域が前記ゲート領域の間のチャ
ンネル領域内に形成され、 前記カソード領域からチャンネル領域内の真のゲート領
域までの寸法および該真のゲート領域から前記アノード
領域までの寸法が共にキャリアの平均自由行程以下に形
成されていることを特徴とする熱電子放射型静電誘導サ
イリスタ。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載において、チャ
ンネル領域がGaAs、ゲート領域がGa1-xAlxAsである熱電
子放射型静電誘導サイリスタ。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項記載において、ゲー
ト領域がチャンネル領域の半導体と格子定数補正されて
なる熱電子放射型静電誘導サイリスタ。 - 【請求項４】特許請求の範囲第１項又は第３項におい
て、ゲート領域がGa1-xAlxAs1-yPyである熱電子放射型
静電誘導サイリスタ。 - 【請求項５】特許請求の範囲第１項から第４項までのい
ずれかの記載において、チャンネル領域がキャリアの走
行する領域に対して直角方向の寸法が、チャンネル領域
の不純物密度より決まるデバイ長λDに対して、２λD以
内である熱電子放射型静電誘導サイリスタ。 - 【請求項６】特許請求の範囲第１項から第５項までのい
ずれかの記載において、ゲート領域に接して設けられる
ゲート電極がゲート領域に対して抵抗性接触となる金属
材料で形成された熱電子放射型静電誘導サイリスタ。 - 【請求項７】特許請求の範囲第１項から第５項までのい
ずれかの記載において、ゲート領域に接して設けられる
ゲート電極がゲート領域に対して抵抗性接触とならない
金属材料で形成された熱電子放射型静電誘導サイリス
タ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59164823A JP2589062B2 (ja) | 1984-08-08 | 1984-08-08 | 熱電子放射型静電誘導サイリスタ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59164823A JP2589062B2 (ja) | 1984-08-08 | 1984-08-08 | 熱電子放射型静電誘導サイリスタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6143473A JPS6143473A (ja) | 1986-03-03 |
| JP2589062B2 true JP2589062B2 (ja) | 1997-03-12 |
Family
ID=15800592
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59164823A Expired - Lifetime JP2589062B2 (ja) | 1984-08-08 | 1984-08-08 | 熱電子放射型静電誘導サイリスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2589062B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8545115B2 (en) | 2011-04-28 | 2013-10-01 | Nidec Copal Corporation | Focal plane shutter for cameras |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5676574A (en) * | 1979-11-26 | 1981-06-24 | Semiconductor Res Found | Schottky injection electrode type semiconductor device |
| US4366493A (en) * | 1980-06-20 | 1982-12-28 | International Business Machines Corporation | Semiconductor ballistic transport device |
| JPS5751981A (en) * | 1980-09-12 | 1982-03-27 | Toshiba Corp | Pump operation control device |
| JPS5775464A (en) * | 1980-10-28 | 1982-05-12 | Semiconductor Res Found | Semiconductor device controlled by tunnel injection |
-
1984
- 1984-08-08 JP JP59164823A patent/JP2589062B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8545115B2 (en) | 2011-04-28 | 2013-10-01 | Nidec Copal Corporation | Focal plane shutter for cameras |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6143473A (ja) | 1986-03-03 |
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