JP2626219B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Classifications
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- 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
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- 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
- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
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- H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
- H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電子のバリスティック伝導を利用した半導体
装置の構造に関わり、特にその特性向上を可能とする半
導体装置の構造に関する。
装置の構造に関わり、特にその特性向上を可能とする半
導体装置の構造に関する。
（従来の技術） 第６図は従来技術による半導体装置の素子構造図であ
る。このような半導体装置は、スペクター（J.Specto
r）によってアプライド・フィズィクス・レターズ（App
l.Phys.Lett.）第56巻、第13号、1290頁、1990年に報告
されている。図に於て、１は半絶縁性（S.I.）GaAs基
板、２はノンドープ高純度GaAs層、３はノンドープAlGa
As層。54はSi単原子層、65、66はオーム性電極、67、6
8、69はそれぞれショットキー電極である。ショットキ
ー電極67と69は各々その一部が切断されたスプリットゲ
ートになっており、適当に電位を与えることに依ってそ
の切断部Q1、Q2に於てのみ電子伝導が生じ得るいわゆる
ポイントンタクトを形成している。ショットキー電極68
はその底面の一部が両凹の弧状になっており、適当な電
圧を加えることに依って電子に対する静電レンズの役割
を果たす。
る。このような半導体装置は、スペクター（J.Specto
r）によってアプライド・フィズィクス・レターズ（App
l.Phys.Lett.）第56巻、第13号、1290頁、1990年に報告
されている。図に於て、１は半絶縁性（S.I.）GaAs基
板、２はノンドープ高純度GaAs層、３はノンドープAlGa
As層。54はSi単原子層、65、66はオーム性電極、67、6
8、69はそれぞれショットキー電極である。ショットキ
ー電極67と69は各々その一部が切断されたスプリットゲ
ートになっており、適当に電位を与えることに依ってそ
の切断部Q1、Q2に於てのみ電子伝導が生じ得るいわゆる
ポイントンタクトを形成している。ショットキー電極68
はその底面の一部が両凹の弧状になっており、適当な電
圧を加えることに依って電子に対する静電レンズの役割
を果たす。
ショットキー電極68に適当な負の電圧Vfgを与え、そ
こだけチャネルの電子の濃度を下げてやることが出来
る。一般に、高電子濃度領域から低電子濃度領域に電子
が注入される時、エネルギー保存則と運動量保存則から
電子波数ベクトルが界面に垂直な成分のみ減少するた
め、電子は屈折する。故に、電子に対して低電子濃度領
域は（高電子濃度領域をｎ＝１として）あたかも光に対
する屈折率ｎ（ｎ〈１）を有する媒体のように振舞う。
ここで、電子屈折率ｎは低電子濃度領域の周辺の領域に
対するフェルミ波数の比によって表わされるからショッ
トキー電極68に与える電圧Vfgを変えて電子レンズ直下
の電子濃度（フェルミ波数）を変えることによってｎを
変調できる。光学からアナロジーにより曲面形状を有す
るショットキー電極68は電子に対する静電レンズの役割
を果たす。レンズの焦点距離ｆはショットキー電極68両
面の曲率半径ｒ及び電子屈折率ｎによって決まるから、
Vfgを変えることによってｆを変調できる。
こだけチャネルの電子の濃度を下げてやることが出来
る。一般に、高電子濃度領域から低電子濃度領域に電子
が注入される時、エネルギー保存則と運動量保存則から
電子波数ベクトルが界面に垂直な成分のみ減少するた
め、電子は屈折する。故に、電子に対して低電子濃度領
域は（高電子濃度領域をｎ＝１として）あたかも光に対
する屈折率ｎ（ｎ〈１）を有する媒体のように振舞う。
ここで、電子屈折率ｎは低電子濃度領域の周辺の領域に
対するフェルミ波数の比によって表わされるからショッ
トキー電極68に与える電圧Vfgを変えて電子レンズ直下
の電子濃度（フェルミ波数）を変えることによってｎを
変調できる。光学からアナロジーにより曲面形状を有す
るショットキー電極68は電子に対する静電レンズの役割
を果たす。レンズの焦点距離ｆはショットキー電極68両
面の曲率半径ｒ及び電子屈折率ｎによって決まるから、
Vfgを変えることによってｆを変調できる。
第７図に従来技術による半導体装置の動作原理を示
す。ショットキー電極67と69に各々、適当な電圧Veg、V
dgを与えてゲートの切断部以外を空乏化することにより
ポイントコンタクトQ1、Q2を形成した状態で、オーム性
電極66をオーム性電極65に対して正にバイアスすると、
ポイントコンタクトQ1を通過した電子は放射状に拡が
り、電子レンズによって屈折される。ここで、Vfgを変
えてやると、焦点距離ｆがポイントコンタクトと電子レ
ンズの距離Ｌに一致したときにだけ、電子レンズから放
出された電子はポイントコンタクトQ2に集束するため、
オーム性電極66に流れる電流IdはVfgに対して負性抵抗
を示す。
す。ショットキー電極67と69に各々、適当な電圧Veg、V
dgを与えてゲートの切断部以外を空乏化することにより
ポイントコンタクトQ1、Q2を形成した状態で、オーム性
電極66をオーム性電極65に対して正にバイアスすると、
ポイントコンタクトQ1を通過した電子は放射状に拡が
り、電子レンズによって屈折される。ここで、Vfgを変
えてやると、焦点距離ｆがポイントコンタクトと電子レ
ンズの距離Ｌに一致したときにだけ、電子レンズから放
出された電子はポイントコンタクトQ2に集束するため、
オーム性電極66に流れる電流IdはVfgに対して負性抵抗
を示す。
（発明が解決しようとする課題） 電子のエミッタとディテクタにポイントコンタクトを
用いる従来のような半導体装置のメリットは焦点距離ｆ
がポイントコンタクトと電子レンズ間距離Ｌと等しい時
にポイントコンタクトQ1から放出された電子はどの方向
に放出されたものもポイントコンタクトQ2に集束される
ことである。しかしながら、ポイントンタクトに於ける
コンダクタンスＧは普遍定数によって以下のように表さ
れる。
用いる従来のような半導体装置のメリットは焦点距離ｆ
がポイントコンタクトと電子レンズ間距離Ｌと等しい時
にポイントコンタクトQ1から放出された電子はどの方向
に放出されたものもポイントコンタクトQ2に集束される
ことである。しかしながら、ポイントンタクトに於ける
コンダクタンスＧは普遍定数によって以下のように表さ
れる。
ここで、ｅは電子電荷、πは円周率、２πｈはプラン
ク（Planck）定数である。Ｎは電子の占有するサブバン
ド数であり、通常、１から数十までの値をとる。電流値
を増やすためにチャネル幅を広げてＮを非常に大きくす
ると、点光源としてのポイントコンタクトの性格が劣化
するためｆ＝Ｌとなる条件でも焦点に集束しなくなる。
このように、ポイントコンタクトに於けるコンダクタン
スはゲート幅等の素子構造に関わらない値となり、きわ
めて微少な電流しか流れない。実際、Spectorが報告し
たように従来技術による半導体装置で流れる電流値は10
0nA未満であった。このように、従来の半導体装置では
流し得る電流量が普遍定数で決ってしまい、制御できる
電流量がきわめて小さく、実際の増幅素子として用いる
ためには不充分であった。
ク（Planck）定数である。Ｎは電子の占有するサブバン
ド数であり、通常、１から数十までの値をとる。電流値
を増やすためにチャネル幅を広げてＮを非常に大きくす
ると、点光源としてのポイントコンタクトの性格が劣化
するためｆ＝Ｌとなる条件でも焦点に集束しなくなる。
このように、ポイントコンタクトに於けるコンダクタン
スはゲート幅等の素子構造に関わらない値となり、きわ
めて微少な電流しか流れない。実際、Spectorが報告し
たように従来技術による半導体装置で流れる電流値は10
0nA未満であった。このように、従来の半導体装置では
流し得る電流量が普遍定数で決ってしまい、制御できる
電流量がきわめて小さく、実際の増幅素子として用いる
ためには不充分であった。
本発明は、このような課題に鑑み、実用素子に十分な
電流を流すことを可能にする半導体装置の構造を提供す
るものである。
電流を流すことを可能にする半導体装置の構造を提供す
るものである。
（課題を解決するための手段） 本発明によれば、半導体基板上にノンドープチャネル
層と少なくとも一層のｎ型半導体層を含むキャリヤ供給
層が順次積層された半導体層構造の表面にソース電極、
ドレイン電極が形成された半導体装置であって、前記半
導体層構造表面のソース電極とドレイン電極で挟まれた
領域には、第１ショットキーゲート電極、第２ショット
キーゲート電極、第３ショットキーゲート電極がソース
からドレインに向かう順序で配置形成されており、前記
第２ショットキーゲート電極の底面には少なくとも一部
に曲率半径ｒ、径φ（φ≦2r）を有する曲線（例えば円
周）形状の凸部または凹部が形成され、この曲線（円
周）形状の凸部または凹部のソース・ドレイン方向に平
行な中心対称軸上には、前記第３ショットキーゲート電
極に幅φ以下の切断部が設けられていると共に、前記第
１ショットキーゲート電極と前記第３ショットキーゲー
ト電極の間隔は電子の平均自由行程以下であることを特
徴とする半導体装置が得られる。
層と少なくとも一層のｎ型半導体層を含むキャリヤ供給
層が順次積層された半導体層構造の表面にソース電極、
ドレイン電極が形成された半導体装置であって、前記半
導体層構造表面のソース電極とドレイン電極で挟まれた
領域には、第１ショットキーゲート電極、第２ショット
キーゲート電極、第３ショットキーゲート電極がソース
からドレインに向かう順序で配置形成されており、前記
第２ショットキーゲート電極の底面には少なくとも一部
に曲率半径ｒ、径φ（φ≦2r）を有する曲線（例えば円
周）形状の凸部または凹部が形成され、この曲線（円
周）形状の凸部または凹部のソース・ドレイン方向に平
行な中心対称軸上には、前記第３ショットキーゲート電
極に幅φ以下の切断部が設けられていると共に、前記第
１ショットキーゲート電極と前記第３ショットキーゲー
ト電極の間隔は電子の平均自由行程以下であることを特
徴とする半導体装置が得られる。
（作用） 従来技術による半導体装置に於て微小電流しか流せな
かっのはエミッタとディテクタとしてポイントコンタク
トを用いていたためであった。したがって、この問題点
を克服するためにはエミッタとして用いているポイント
コンタクトを無くせばよい。しかしながら、エミッタ側
ポイントコンタクトがなければ、複数の場所から放出さ
れた電子がランダムな波数分布をもって電子レンズに入
射するので、それらを一点に集束させることはできな
い。電子レンジに入射した電子を集束させるためには、
入射電子の波数ベクトルを揃えてやる必要がある。その
ためには、電子レンズの前段にポイントンタクトの代わ
りにポテンシャルバリヤを形成してホットエレクトロン
注入してやればよい。電子レンズの中心軸に垂直な向き
にポテンシャルバリヤを形成して電子を加速することに
よって、波数ベクトルの揃ったホットエレクトロンを電
子レンズに直交する方向に入射させることが出来るの
で、これらの電子は電子レンズの焦点に集束する。
かっのはエミッタとディテクタとしてポイントコンタク
トを用いていたためであった。したがって、この問題点
を克服するためにはエミッタとして用いているポイント
コンタクトを無くせばよい。しかしながら、エミッタ側
ポイントコンタクトがなければ、複数の場所から放出さ
れた電子がランダムな波数分布をもって電子レンズに入
射するので、それらを一点に集束させることはできな
い。電子レンジに入射した電子を集束させるためには、
入射電子の波数ベクトルを揃えてやる必要がある。その
ためには、電子レンズの前段にポイントンタクトの代わ
りにポテンシャルバリヤを形成してホットエレクトロン
注入してやればよい。電子レンズの中心軸に垂直な向き
にポテンシャルバリヤを形成して電子を加速することに
よって、波数ベクトルの揃ったホットエレクトロンを電
子レンズに直交する方向に入射させることが出来るの
で、これらの電子は電子レンズの焦点に集束する。
（実施例） 第１図に本発明の第一の実施例の半導体装置の素子断
面図を示す。このような素子は以下の様にして作製され
る。ノンドープ高抵抗（SI）GaAs基板１上に、次のよう
なエピタキシャル層構造を成長する。
面図を示す。このような素子は以下の様にして作製され
る。ノンドープ高抵抗（SI）GaAs基板１上に、次のよう
なエピタキシャル層構造を成長する。
2:ノンドープGaAs層…厚さ2000Å、 3:ノンドープAl0.2Ga0.8Asスペーサ層…500Å、 4:n型Al0.2Ga0.8As層（ドーピング濃度３×1018/cm3）
…300Å、 5:n型GaAsキャップ層（ドーピング濃度５×1018/cm3）
…300Å。
…300Å、 5:n型GaAsキャップ層（ドーピング濃度５×1018/cm3）
…300Å。
GaAs層２に於ける電子の平均自由行程は10μｍ程度と
する。ｎ型GaAs層５上にはソース電極6S及びドレイン電
極6Dを蒸着により形成後、アロイ処理に依ってオーム性
接触をとる。また、ｎ型GaAsキャップ層５を越えて形成
されたリセス部には電子ビーム（EB）リソグラフィー法
を用いてソースからドレインに向かう順番に第１ショッ
トキーゲート電極（エミッタゲート）７、第２ショット
キーゲート電極（フォーカスゲート）８、第３ショット
キーゲート電極（ディスクタゲート）９を形成する。エ
ミッタゲート７とディテクタゲート９のソース・ドレイ
ン方向の長さは各々500Å及び0.1μｍとする。フォーカ
スゲート８のドレイン側端面には曲率半径10μｍの弧に
よる凹部が形成されており、電子に対する静電レンズの
役割を果たす。ディテクタゲート９の中央部は0.2μｍ
程度の幅で切断されており、この切断部Ｑはフォーカス
ゲートの弧部におけるソース・ドレイン方向に平行な中
心対称軸上にあり、適当な電圧を与えることによって切
断部Ｑに於てのみ電子伝導が生じさせることが出来る。
この中心対称軸上に於けるフォーカスゲート８とディテ
クタゲート９の距離Ｌは２μｍで、エミッタゲート７と
ディテクタゲート９の距離は３μｍとし、電子の平均自
由行程以下になっている。
する。ｎ型GaAs層５上にはソース電極6S及びドレイン電
極6Dを蒸着により形成後、アロイ処理に依ってオーム性
接触をとる。また、ｎ型GaAsキャップ層５を越えて形成
されたリセス部には電子ビーム（EB）リソグラフィー法
を用いてソースからドレインに向かう順番に第１ショッ
トキーゲート電極（エミッタゲート）７、第２ショット
キーゲート電極（フォーカスゲート）８、第３ショット
キーゲート電極（ディスクタゲート）９を形成する。エ
ミッタゲート７とディテクタゲート９のソース・ドレイ
ン方向の長さは各々500Å及び0.1μｍとする。フォーカ
スゲート８のドレイン側端面には曲率半径10μｍの弧に
よる凹部が形成されており、電子に対する静電レンズの
役割を果たす。ディテクタゲート９の中央部は0.2μｍ
程度の幅で切断されており、この切断部Ｑはフォーカス
ゲートの弧部におけるソース・ドレイン方向に平行な中
心対称軸上にあり、適当な電圧を与えることによって切
断部Ｑに於てのみ電子伝導が生じさせることが出来る。
この中心対称軸上に於けるフォーカスゲート８とディテ
クタゲート９の距離Ｌは２μｍで、エミッタゲート７と
ディテクタゲート９の距離は３μｍとし、電子の平均自
由行程以下になっている。
第２図は第１図に示した半導体装置に於てソース電極
6Sに対してドレイン電極6Dに正電圧Vdsをエミッタゲー
ト７、フォーカスゲート８、ディテクタゲート９に各々
電圧Veg、Vfg、Vdgを加えたときのチャネル層（ノンド
ープGaAs層２に於けるノンドープAlGaAs層３との界面近
傍）に於ける伝導帯下端のソース・ドレイン方向のプロ
ファイルの模式図である。エミッタゲート７直下には空
乏層によるポテンシャルバリヤが形成され、電子をホッ
トエレクトロン注入することによって、ドレインに向か
って加速させる。エミッタゲート・ディテクタゲート間
距離は電子の平均自由行程より短く設計されているの
で、エミッタバリヤから注入された電子はバリスティッ
クに走行し、ディテクタゲート直下まで到達する。その
際、フォーカスゲート直下では、後で述べるように、静
電レンズ効果により屈折される。また、ディテクタゲー
ト直下にはゲート切断部Ｑ以外の場所に空乏層によるポ
テンシャルバリヤが形成され、電子の通り道（ポイント
コンタクト）が形成される。本発明の特徴は、ソース側
にポイントコンタクトを設ける代わりに、エミッタバリ
ヤを設けて電子をホットエレクトロン注入してやること
であるが、そうすることによっても良好な負性抵抗特性
が得られること、制御できる電流を増加できることを次
に示す ここで、フォーカスゲート８に適当な電圧Vfgを与
え、そこだけチャネルの伝導帯下端を上げてやる。一般
に、高運動エネルギー領域から低運動エネルギー領域に
電子が斜め入射する時、波数ベクトルの界面に垂直な成
分がkx1からkx2（kx2〈kx1）に減少するが、横方向成分
ktは保存されるため、電子は屈折する。入射角をθｉ、
出射角をθｒとすると、以下のようになる。
6Sに対してドレイン電極6Dに正電圧Vdsをエミッタゲー
ト７、フォーカスゲート８、ディテクタゲート９に各々
電圧Veg、Vfg、Vdgを加えたときのチャネル層（ノンド
ープGaAs層２に於けるノンドープAlGaAs層３との界面近
傍）に於ける伝導帯下端のソース・ドレイン方向のプロ
ファイルの模式図である。エミッタゲート７直下には空
乏層によるポテンシャルバリヤが形成され、電子をホッ
トエレクトロン注入することによって、ドレインに向か
って加速させる。エミッタゲート・ディテクタゲート間
距離は電子の平均自由行程より短く設計されているの
で、エミッタバリヤから注入された電子はバリスティッ
クに走行し、ディテクタゲート直下まで到達する。その
際、フォーカスゲート直下では、後で述べるように、静
電レンズ効果により屈折される。また、ディテクタゲー
ト直下にはゲート切断部Ｑ以外の場所に空乏層によるポ
テンシャルバリヤが形成され、電子の通り道（ポイント
コンタクト）が形成される。本発明の特徴は、ソース側
にポイントコンタクトを設ける代わりに、エミッタバリ
ヤを設けて電子をホットエレクトロン注入してやること
であるが、そうすることによっても良好な負性抵抗特性
が得られること、制御できる電流を増加できることを次
に示す ここで、フォーカスゲート８に適当な電圧Vfgを与
え、そこだけチャネルの伝導帯下端を上げてやる。一般
に、高運動エネルギー領域から低運動エネルギー領域に
電子が斜め入射する時、波数ベクトルの界面に垂直な成
分がkx1からkx2（kx2〈kx1）に減少するが、横方向成分
ktは保存されるため、電子は屈折する。入射角をθｉ、
出射角をθｒとすると、以下のようになる。
故に、電子に対して低運動エネルギー領域は（高運動
エネルギー領域をｎ＝１として）あたかも光に対する屈
折率ｎ（ｎ〈１）を有する媒体のように振舞う。電子屈
折率ｎは ただし、E1とE2は各々高運動エネルギー領域と低運動エ
ネルギー領域に於ける電子の運動エネルギーである
（E1〉E2）。高運動エネルギー領域をエミッタゲート・
フォーカスゲート間及びディテクタゲート・フォーカス
ゲート間に、低運動エネルギー領域をフォーカスゲート
直下に当てはめると、フォーカスゲート８は電子に対す
る屈折率ｎのレンズになることが分かる。一般に、両面
の曲率半径r1、r2、厚さｄ、屈折率ｎのレンズによる焦
点距離ｆは以下のように表される。
エネルギー領域をｎ＝１として）あたかも光に対する屈
折率ｎ（ｎ〈１）を有する媒体のように振舞う。電子屈
折率ｎは ただし、E1とE2は各々高運動エネルギー領域と低運動エ
ネルギー領域に於ける電子の運動エネルギーである
（E1〉E2）。高運動エネルギー領域をエミッタゲート・
フォーカスゲート間及びディテクタゲート・フォーカス
ゲート間に、低運動エネルギー領域をフォーカスゲート
直下に当てはめると、フォーカスゲート８は電子に対す
る屈折率ｎのレンズになることが分かる。一般に、両面
の曲率半径r1、r2、厚さｄ、屈折率ｎのレンズによる焦
点距離ｆは以下のように表される。
本実施例の場合、r1→∞、r2＝ｒなので、 ここで、フォーカスゲート８に与える電圧Vfgを変え
て電子レンズ直下の電子の運動エネルギーE2を変えれ
ば、（３）にしたがってｎを変えられ、故に、焦点距離
ｆを変調できる。
て電子レンズ直下の電子の運動エネルギーE2を変えれ
ば、（３）にしたがってｎを変えられ、故に、焦点距離
ｆを変調できる。
本実施例の動作原理を第３図に示す。ここで、Ｌはフ
ォーカスゲート・ディテクタゲート間の距離である。エ
ミッタゲート７、ディテクタゲート９に各々、適当な電
圧Veg、Vdgを与えて、エミッタ側にポテンシャルバリヤ
をディテクタ側にポイントコンタクトＱを形成した状態
で、ドレイン6Dをソース6Sに対して正にバイアスする。
ソースから速度の熱分布によって放射状に拡がった電子
はエミタバリヤに於て加速され、波数ベクトルの揃った
ホットエレクトロンとなって電子レンズに入射する。波
数ベクトルの揃ったホットエレクトロンは平行入射する
電子波とみなされるので、入射した電子は電子レンズの
焦点に集束する。ここで、Vfgを変えてやると電子の運
動エネルギーE2を変えられるので、（３）と（５）にし
たがって焦点距離ｆを変調できる。Vfgがピンチオフ近
傍、即ちフォーカスゲート直下の電子運動エネルギーE2
が十分低く、ｎ〈nc＝１−r/Lの場合、（５）からｆ
〈Ｌとなるので、第３図（ａ）のように、電子レンズで
屈折された電子はディテクタゲート手前で焦点を結び、
殆どの電子はポイントコンタクトＱを通ることはできな
い。Vfgを上げて、E2を増加し、ｎ＝ncとなる場合、第
３図（ｂ）のように電子はポイントコンタクトＱに於て
焦点を結ぶ。ここで、ディテクタ側ポイントコンタクト
はレンズからの出射電子を選択するためだけに用いてい
るので、その幅を十分大きくでき、電子レンズで屈折さ
れた全ての電子がドレインまで到達できる。更にVfgを
上げてE2が電子レンズ以外の領域に於ける運動エネルギ
ーE1に等しくなると屈折は起こらなくなるので、第３図
（ｃ）のように殆どの電子はディテクタバリヤによって
反射され、ドレインに到達できない。このように、ドレ
イン電流はIdはｎ＝ncを満たす条件で極大をとるので、
Idのフォーカスゲート電圧（Vfg）依存性には第４図の
ように微分負性抵抗が現れる。
ォーカスゲート・ディテクタゲート間の距離である。エ
ミッタゲート７、ディテクタゲート９に各々、適当な電
圧Veg、Vdgを与えて、エミッタ側にポテンシャルバリヤ
をディテクタ側にポイントコンタクトＱを形成した状態
で、ドレイン6Dをソース6Sに対して正にバイアスする。
ソースから速度の熱分布によって放射状に拡がった電子
はエミタバリヤに於て加速され、波数ベクトルの揃った
ホットエレクトロンとなって電子レンズに入射する。波
数ベクトルの揃ったホットエレクトロンは平行入射する
電子波とみなされるので、入射した電子は電子レンズの
焦点に集束する。ここで、Vfgを変えてやると電子の運
動エネルギーE2を変えられるので、（３）と（５）にし
たがって焦点距離ｆを変調できる。Vfgがピンチオフ近
傍、即ちフォーカスゲート直下の電子運動エネルギーE2
が十分低く、ｎ〈nc＝１−r/Lの場合、（５）からｆ
〈Ｌとなるので、第３図（ａ）のように、電子レンズで
屈折された電子はディテクタゲート手前で焦点を結び、
殆どの電子はポイントコンタクトＱを通ることはできな
い。Vfgを上げて、E2を増加し、ｎ＝ncとなる場合、第
３図（ｂ）のように電子はポイントコンタクトＱに於て
焦点を結ぶ。ここで、ディテクタ側ポイントコンタクト
はレンズからの出射電子を選択するためだけに用いてい
るので、その幅を十分大きくでき、電子レンズで屈折さ
れた全ての電子がドレインまで到達できる。更にVfgを
上げてE2が電子レンズ以外の領域に於ける運動エネルギ
ーE1に等しくなると屈折は起こらなくなるので、第３図
（ｃ）のように殆どの電子はディテクタバリヤによって
反射され、ドレインに到達できない。このように、ドレ
イン電流はIdはｎ＝ncを満たす条件で極大をとるので、
Idのフォーカスゲート電圧（Vfg）依存性には第４図の
ように微分負性抵抗が現れる。
本実施例では、電子レンズ径（即ちフォーカスゲート
部の長さ、第１図参照）Φ（≦2r）程度の幅に存在する
電子がポイントコンタクトＱに集められる。ポイントコ
ンタクトＱはレンズから出た電子を選択するためだけに
用いているので、ポイントコンタクトのチャネル幅は電
子レンズ径Φより十分小さいだけでよい。言い換える
と、（１）に於てＮを非常に大きくしても電子レンズに
よる集束性が失われず、コンダクタンスが普遍定数で決
まることがない。したがって、電子レンズ径Φに比例し
た電流を流すことが可能であり、この点が従来の半導体
装置に於てコンダクタンスが普遍定数で決ってしまった
点と大きく異なっている。ここで、レンズの曲率半径ｒ
は電子の平均自由行程程度以下でなければならないの
で、実効チャネル幅（〜Φ≦2r）は最大で平均自由行程
程度になる。本実施例のような変調ドープ構造を用いれ
ば、極めて高い電子移動度が得られ、100μｍ程度の平
均自由行程を達成可能である。したがって、超高電子移
動度の変調ドープ構造を用いて本発明の半導体装置を作
製すれば、実効チャネル幅を100μｍ程度まで増加で
き、実用素子として十分なmAオーダの電流量が得られ
る。本実施例では曲率半径10μｍとしたが、実効チャネ
ル幅に応じて自由に設定できる。曲率半径１μｍ程度で
も従来に比べ10倍以上の大電流が流せる。
部の長さ、第１図参照）Φ（≦2r）程度の幅に存在する
電子がポイントコンタクトＱに集められる。ポイントコ
ンタクトＱはレンズから出た電子を選択するためだけに
用いているので、ポイントコンタクトのチャネル幅は電
子レンズ径Φより十分小さいだけでよい。言い換える
と、（１）に於てＮを非常に大きくしても電子レンズに
よる集束性が失われず、コンダクタンスが普遍定数で決
まることがない。したがって、電子レンズ径Φに比例し
た電流を流すことが可能であり、この点が従来の半導体
装置に於てコンダクタンスが普遍定数で決ってしまった
点と大きく異なっている。ここで、レンズの曲率半径ｒ
は電子の平均自由行程程度以下でなければならないの
で、実効チャネル幅（〜Φ≦2r）は最大で平均自由行程
程度になる。本実施例のような変調ドープ構造を用いれ
ば、極めて高い電子移動度が得られ、100μｍ程度の平
均自由行程を達成可能である。したがって、超高電子移
動度の変調ドープ構造を用いて本発明の半導体装置を作
製すれば、実効チャネル幅を100μｍ程度まで増加で
き、実用素子として十分なmAオーダの電流量が得られ
る。本実施例では曲率半径10μｍとしたが、実効チャネ
ル幅に応じて自由に設定できる。曲率半径１μｍ程度で
も従来に比べ10倍以上の大電流が流せる。
第５図に本発明の第二の実施例の半導体装置の素子断
面図を示す。このような素子は以下の様にして作製され
る。ノンドープGaAs基板１上に、次のようなエピタキシ
ャル層構造を成長する。
面図を示す。このような素子は以下の様にして作製され
る。ノンドープGaAs基板１上に、次のようなエピタキシ
ャル層構造を成長する。
2:トンドープGaAs層…2000Å、 3:ノンドープAl0.3Ga0.7As層…500Å 54:Si単原子層（シート濃度５×1012/cm2）、 3:ノンドープAl0.3Ga0.7As層…200Å 5:n型GaAsキャップ層（ドーピング濃度５×1018/cm3）
…500Å GaAs層２に於ける電子の平均自由行程は10μｍ程度と
する。ｎ型GaAs層５上にはソース電極6S及びドレイン電
極6Dを蒸着により形成後、アロイ処理に依ってオーム接
触をとる。また、ｎ型GaAsキャップ層５を越えて形成さ
れたリセス部にはEBリソグラフィー法を用いてソースか
らドレインに向かう順番にエミッタゲート電極７、フォ
ーカスゲート電極８、ディテクタゲート電極９を形成す
る。エミッタゲート７とディテクタゲート９のソース・
ドレイン方向の長さは各々500Å及び0.1μｍとする。フ
ォーカスゲート８のドレイン側端面には曲率半径10μｍ
の弧による凸部が形成されており、電子に対する静電レ
ンズの役割を果たす。ディテクタゲート９の中央部は0.
2μｍ程度の幅で切断されており、この切断部Ｑはフォ
ーカスゲートの弧部におけるソース・ドレイン方向に平
行な中心対称軸上にあり、適当な電圧を与えることによ
って切断部Ｑに於てのみ電子伝導が生じさせることが出
来る。この中心対称軸上に於けるフォーカスゲート８と
ディテクタゲート９の距離２μｍで、エミッタゲート７
とディテクタゲート９の距離は３μｍで、電子の平均自
由行程以下になっている。
…500Å GaAs層２に於ける電子の平均自由行程は10μｍ程度と
する。ｎ型GaAs層５上にはソース電極6S及びドレイン電
極6Dを蒸着により形成後、アロイ処理に依ってオーム接
触をとる。また、ｎ型GaAsキャップ層５を越えて形成さ
れたリセス部にはEBリソグラフィー法を用いてソースか
らドレインに向かう順番にエミッタゲート電極７、フォ
ーカスゲート電極８、ディテクタゲート電極９を形成す
る。エミッタゲート７とディテクタゲート９のソース・
ドレイン方向の長さは各々500Å及び0.1μｍとする。フ
ォーカスゲート８のドレイン側端面には曲率半径10μｍ
の弧による凸部が形成されており、電子に対する静電レ
ンズの役割を果たす。ディテクタゲート９の中央部は0.
2μｍ程度の幅で切断されており、この切断部Ｑはフォ
ーカスゲートの弧部におけるソース・ドレイン方向に平
行な中心対称軸上にあり、適当な電圧を与えることによ
って切断部Ｑに於てのみ電子伝導が生じさせることが出
来る。この中心対称軸上に於けるフォーカスゲート８と
ディテクタゲート９の距離２μｍで、エミッタゲート７
とディテクタゲート９の距離は３μｍで、電子の平均自
由行程以下になっている。
この実施例では、フォーカスゲート８に適当な電圧V
rgを与え、そこだけチャネルの伝導帯を下げる。この場
合には、電子はフォーカスゲート直下で運動エネルギー
を得て界面に垂直な方向に加速される。電子に対して高
運動エネルギー領域は（低電子濃度領域をｎ＝１とし
て）あたかも光に対する屈折率ｎ（ｎ〉１）を有する媒
体のように振舞うので、フォーカスゲート８は電子に対
する屈折率ｎのレンズになることが分かる。（５）と同
様に、曲率半径ｒ、屈折率ｎの片凸レンズによる焦点距
離ｆは以下のように表される。
rgを与え、そこだけチャネルの伝導帯を下げる。この場
合には、電子はフォーカスゲート直下で運動エネルギー
を得て界面に垂直な方向に加速される。電子に対して高
運動エネルギー領域は（低電子濃度領域をｎ＝１とし
て）あたかも光に対する屈折率ｎ（ｎ〉１）を有する媒
体のように振舞うので、フォーカスゲート８は電子に対
する屈折率ｎのレンズになることが分かる。（５）と同
様に、曲率半径ｒ、屈折率ｎの片凸レンズによる焦点距
離ｆは以下のように表される。
ここでフォーカスゲート８に与える電圧Vfgを変えて
電子レンズ直下の電子の運動エネルギーE2を変えれば、
（３）にしたがってｎを変えられ、故に、焦点距離ｆを
変調できる。したがって、第一の実施例と同様な原理に
よって、ドレイン電流IdのVfg依存性に微分負性抵抗が
現れると共に、超高電子移動度の変調ドープ構造を用い
て本発明の半導体装置を作製すれば、実効チャネル幅10
0μｍ程度まで増加でき、実用素子として十分な電流量
が得られる。
電子レンズ直下の電子の運動エネルギーE2を変えれば、
（３）にしたがってｎを変えられ、故に、焦点距離ｆを
変調できる。したがって、第一の実施例と同様な原理に
よって、ドレイン電流IdのVfg依存性に微分負性抵抗が
現れると共に、超高電子移動度の変調ドープ構造を用い
て本発明の半導体装置を作製すれば、実効チャネル幅10
0μｍ程度まで増加でき、実用素子として十分な電流量
が得られる。
以上の実施例では、AlGaAs/GaAs系FETを用いて本発明
を説明したが、本発明は勿論、AlGaAs/InGaAs歪系やAlI
nAs/GaInAs系等、他の材料係のFETにも適用可能であ
る。また、フォースゲートの形状として片凸レンズ型ま
たは片凹レンズ型を用いたが、両凸レンズ型や両凹レン
ズ型等も勿論適用可能である。
を説明したが、本発明は勿論、AlGaAs/InGaAs歪系やAlI
nAs/GaInAs系等、他の材料係のFETにも適用可能であ
る。また、フォースゲートの形状として片凸レンズ型ま
たは片凹レンズ型を用いたが、両凸レンズ型や両凹レン
ズ型等も勿論適用可能である。
（発明効果） 以上の詳細な説明から明らかなように、本発明によれ
ば電子レンズ効果を応用した半導体装置が得られると共
に、この様な素子に於て、実用素子として十分な電流量
を制御することが可能になる。
ば電子レンズ効果を応用した半導体装置が得られると共
に、この様な素子に於て、実用素子として十分な電流量
を制御することが可能になる。
第１図は本発明による第一の実施例の素子構造断面図、
第２図は本実施例に於けるソース・ドレイン間のポテン
シャル・バンドを示す模式図、第３図は本実施例の動作
原理を示す図、第４図は本実施例に於ける電流・電圧特
性を示す図、第５図は本発明による第二の実施例の素子
構造断面図、第６図は従来技術による半導体素装置の素
子断面図、第７図は従来例の動作原理を示す図である。 図に於いて、 １…はS.1.GaAs基板 ２…はノンドープGaAs層、 ３…はノンドープAlGaAs層、 ４…はｎ型AlGaAs層、 ５…はｎ型GaAs層、 6S,6D,65,66…はオーム性電極、 7,8,9,67,68,69はショットキー電極、 54…はSi単原子層である。
第２図は本実施例に於けるソース・ドレイン間のポテン
シャル・バンドを示す模式図、第３図は本実施例の動作
原理を示す図、第４図は本実施例に於ける電流・電圧特
性を示す図、第５図は本発明による第二の実施例の素子
構造断面図、第６図は従来技術による半導体素装置の素
子断面図、第７図は従来例の動作原理を示す図である。 図に於いて、 １…はS.1.GaAs基板 ２…はノンドープGaAs層、 ３…はノンドープAlGaAs層、 ４…はｎ型AlGaAs層、 ５…はｎ型GaAs層、 6S,6D,65,66…はオーム性電極、 7,8,9,67,68,69はショットキー電極、 54…はSi単原子層である。
Claims (1)
- 【請求項１】半導体基板上にノンドープチャネル層と少
なくとも一層のｎ型半導体層を含むキャリヤ供給層が順
次積層された半導体層構造の表面にソース電極、ドレイ
ン電極が形成された半導体装置をであって、前記半導体
層構造表面のソース電極とドレイン電極で挟まれた領域
には、第１ショットキーゲート電極、第２ショットキー
ゲート電極、第３ショットキーゲート電極がソースから
ドレインに向かう順序で配置形成されており、前記第２
ショットキーゲート電極の底面には少なくとも一部に曲
率半径ｒ、径φ（φ≦2r）を有する曲線形状の凸部また
は凹部が形成され、この円周形状の凸部または凹部のソ
ース・ドレイン方向に平行な中心対称軸上には、前記第
３ショットキーゲート電極に幅φ以下の切断部が設けら
れていると共に、前記第１ショットキーゲート電極と前
記第３ショットキーゲート電極の間隔は電子の平均自由
程以下であることを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2246598A JP2626219B2 (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | 半導体装置 |
| US07/757,297 US5192986A (en) | 1990-09-17 | 1991-09-10 | Heterojunction field effect transistor equipped with electrostatic lens for improving ballistic propagation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2246598A JP2626219B2 (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04125973A JPH04125973A (ja) | 1992-04-27 |
| JP2626219B2 true JP2626219B2 (ja) | 1997-07-02 |
Family
ID=17150799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2246598A Expired - Lifetime JP2626219B2 (ja) | 1990-09-17 | 1990-09-17 | 半導体装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5192986A (ja) |
| JP (1) | JP2626219B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5347141A (en) * | 1993-11-09 | 1994-09-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Multiterminal lateral S-shaped negative differential conductance device |
| JP4670121B2 (ja) * | 1999-08-19 | 2011-04-13 | 富士通株式会社 | 半導体装置 |
| US9136364B2 (en) * | 2009-09-16 | 2015-09-15 | Power Integrations, Inc. | Field effect transistor with access region recharge |
| US10192981B2 (en) | 2012-06-29 | 2019-01-29 | Power Integrations, Inc. | Switching device with charge distribution structure |
| US9245879B2 (en) | 2012-06-29 | 2016-01-26 | Power Integrations, Inc. | Static discharge system |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4962410A (en) * | 1989-08-04 | 1990-10-09 | Arizona Board Of Regents | QUADFET-A novel field effect transistor |
| JP2539523B2 (ja) * | 1989-12-27 | 1996-10-02 | 株式会社日立製作所 | 縦型電界効果トランジスタの製造方法 |
-
1990
- 1990-09-17 JP JP2246598A patent/JP2626219B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1991
- 1991-09-10 US US07/757,297 patent/US5192986A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5192986A (en) | 1993-03-09 |
| JPH04125973A (ja) | 1992-04-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20031216 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050404 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050419 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050617 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20050712 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |