JP2630252B2 - トンネルトランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

トンネルトランジスタおよびその製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高集積化,高速動作が
可能なトンネル現象利用のトランジスタに関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】半導体表面におけるp+ −n+ 接合での
トンネル現象を利用し、通常のSiMOSFETやGa
As MESFETとは動作原理の異なるトランジスタ
としてトンネルトランジスタが提案されている。このデ
バイスについては例えば、植村による特願平6−020
707号明細書に記載されている。このトランジスタ
は、MOSFETの微細化の極限で問題となってくるア
バランシーやトンネル効果を積極的に利用したものであ
り、高集積化を可能にする。この従来のトンネルトラン
ジスタの構造と動作を、その構造図を元に簡単に説明す
る。
【0003】図2は、従来のトンネルトランジスタの構
造模式図である。この従来のトンネルトランジスタは、
縮退していない基板1と、一導電型を有し縮退している
第1の半導体2と、縮退していない第2の半導体3と、
第1の半導体2と反対の導電型を有する第3の半導体4
と、第2の半導体3上に設けられた第5の半導体6と、
第5の半導体6上に設けられた第6の半導体7と、第6
の半導体7上に設けられたゲート電極8と、第1の半導
体2とオーミック接触を形成するソース電極9と、第3
の半導体4とオーミック接触を形成するドレイン電極1
0とから構成されている。
【0004】この従来のトンネルトランジスタの動作に
ついて、基板1に半絶縁性GaAs、第1の半導体2に
+ −GaAs、第2の半導体3にアンドープGaA
s、第3の半導体4にp+ −GaAs、第5の半導体6
にn+ −GaAs、第7の半導体7にi−Al0.3 Ga
0.7 As、ゲート電極8にAl、ソース電極9にAuG
e、ドレイン電極10にAuZnを用いた例について説
明する。
【0005】第5の半導体6は第1,第2および第3の
半導体2,3,4に接しているが、第3の半導体4に接
している部分は完全に空乏化するように第5の半導体6
のキャリア濃度と厚さを適当に選ぶ。このとき、第3の
半導体4と第2の半導体3上に第5の半導体6との間に
バンド間トンネル接合が形成され、その電流電圧特性に
負性抵抗特性が得られる。メサエッチングにより第3の
半導体4がトンネル接合部で先鋭化しているため、電界
集中が生じ、大きなトンネル電流が流れる。第2の半導
体3上の第5の半導体6はチャネルとして作用し、ソー
スの第1の半導体2に接する。ゲート電圧により、第5
の半導体6のキャリア濃度を変化させることで、トンネ
ル電流を変調でき、トランジスタ動作が得られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来のトンネルトラン
ジスタでは、図からわかるように、メサ上部において、
第3の半導体と第5の半導体との接合ができ、この部分
を通して、バンド間トンネル電流以外の余分な電流が流
れる。この結果、負性抵抗特性におけるバレイ電流が増
加し、そのピーク電流対バレイ電流の比(P/V比)は
減少し、機能素子としての応用が困難になる。
【0007】本発明の目的は、負性抵抗特性のP/V比
を従来の構造に比べ増加したトンネルトランジスタを提
供することにある。
【0008】本発明の他の目的は、このようなトンネル
トランジスタの製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明のトンネルトラン
ジスタは、基板上の一部に、一導電型を有する縮退した
第1の半導体と、縮退していない第2の半導体と、前記
第1の半導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半導
体と、縮退していない第4の半導体との積層構造を有
し、少なくとも前記第2の半導体の露出表面に第1の半
導体と同一の導電型を有し、前記第2の半導体よりも禁
止帯幅が同じもしくは狭い材料からなる縮退した第5の
半導体と、前記第5の半導体の層上に前記第5の半導体
よりも禁止帯幅の広い第6の半導体層と、前記第6の半
導体の層上にショットキー接合を有する電極と、前記第
1の半導体と第3の半導体にそれぞれオーミック接合を
形成する一対の電極とを有することを特徴としている。
【0010】また本発明のトンネルトランジスタの製造
方法は、基板上に、一導電型を有する縮退した第1の半
導体と、縮退していない第2の半導体と、前記第1の半
導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半導体と、縮
退していない第4の半導体とを積層する工程と、ドレイ
ン領域をメサ形状に残し、前記第1の半導体の一部を露
出させる工程と、以上の構造の表面に、チャネル層とな
る第5の半導体を形成する工程と、前記第5の半導体上
に、ゲート絶縁層となる第6の半導体を形成する工程
と、前記第6の半導体上にゲート電極を形成する工程
と、前記露出された第1の半導体上にソース電極を形成
する工程と、前記第3の半導体上に、ドレイン電極を形
成する工程と、を含むことを特徴としている。
【0011】
【作用】従来のトンネルトランジスタのメサ上部におけ
る第3の半導体と第5の半導体との間に電流障壁層とな
る第4の半導体を挿入することにより、この間を流れる
リーク電流を減らし、P/V比の増加をはかれる。
【0012】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。
【0013】図1は、本発明の実施例を示す模式図であ
る。図1において図2と同じ記号は図2と同等物で同一
機能を果たすものである。
【0014】このトンネルトランジスタは、基板1上の
一部に一導電型を有する縮退した第1の半導体2と、縮
退していない第2の半導体3と、第1の半導体2と反対
の導電型を有し縮退した第3の半導体4と、縮退してい
ない第4の半導体5との積層構造を有し、第1,第2,
第3,第4の半導体2,3,4,5の露出表面に、第1
の半導体2と同一の導電型を有し、第2の半導体3より
も禁止帯幅が同じもしくは狭い材料からなる縮退した第
5の半導体6と、第5の半導体6上に第5の半導体6よ
りも禁止帯幅の広い第6の半導体7と、第6の半導体7
上に設けられたゲート電極8と、第1の半導体2とオー
ミック接触を形成するソース電極9と、第3の半導体4
とオーミック接触を形成するドレイン電極10とを有し
ている。
【0015】一例として、基板1に半絶縁性GaAs、
第1の半導体2にn+ −GaAs、第2の半導体3にア
ンドープGaAs、第3の半導体4にp+ −GaAs、
第4の半導体5にアンドープGaAs、第5の半導体6
にn+ −GaAs、第6の半導体7にアンドープAl
0.3 Ga0.7 As、ゲート電極8にAl、ソース電極9
にAuGe、ドレイン電極10にAuZnを用いる。
【0016】第5の半導体6は、第1,第2,第3およ
び第4の半導体2.3,4,5に接しているが、第3の
半導体4に接している部分は完全に空乏化するように第
5の半導体6のキャリア濃度と厚さを適当に選ぶ。この
とき、第3の半導体4と第2の半導体3上の第5の半導
体6との間にバンド間トンネル接合が形成される。メサ
エッチングにより第3の半導体4がトンネル接合部で先
鋭化しているため、電界集中が生じ、大きなトンネル電
流が流れる。第2の半導体3上の第5の半導体6はチャ
ネルとして作用し、ソースの第1の半導体2に接する。
ゲート電圧により、第5の半導体6のキャリア濃度を変
化させることができ、トンネル電流を変調できる。ここ
で、第4の半導体5が第3の半導体4と第5の半導体6
との間に挿入されていることにより、この部分を流れる
電流成分は抑制され、ソース・ドレイン間にはメサ側面
に形成されたバンド間接合を流れる電流成分のみとな
る。この結果、負性抵抗特性を劣化させる要因であるリ
ーク電流が少なくなり、特性が向上する。
【0017】このような構造のトンネルトランジスタ
は、次のようにして作製する。
【0018】まず、図3に示すように、基板1をMBE
装置に導入し、基板上に分子線エピタキシャル法により
第1の半導体2から第4の半導体5として、n+ −Ga
As(1×1019cm-3,300nm)、アンドープG
aAs(200nm)、p+−GaAs(1×1020
-3,100nm)、アンドープGaAs(50nm)
を、基板温度520℃で順次成長する。
【0019】次に、図4に示すように、リソグラフィと
エッチングによりドレイン領域をメサ形状に残し、第1
の半導体2であるn+ −GaAsの一部を露出させる。
有機洗浄によるクリーニングを行った後、再び試料をM
BE装置に導入し、図5に示すように、形成した構造表
面にチャネル層となる第5の半導体6のn+ −GaAs
(1×1019cm-3,1.2nm)、およびゲート絶縁
層となる第6の半導体7のアンドープAl0.3 Ga0.7
As(40nm)を再成長させる。その後、第6の半導
体7上にAlを蒸着し、ショットキー接合を形成し、ゲ
ート電極とする
【0020】次に、図6に示すように、Alおよび第
6,第5,第4の半導体7,6,5層をゲート電極8の
形状にエッチングする。
【0021】次に、図7に示すように、リフトオフによ
り、AuGeを第1の半導体2のn+ −GaAs上に形
成し、アロイすることでソース電極9とする。最後にリ
フトオフによりドレイン電極10であるAuZnを第3
の半導体4であるp+ −GaAs上に形成し、トンネル
トランジスタの作製を完了する。
【0022】作製したトンネルトランジスタは、順方向
バイアス下でゲート電圧に依存した負性抵抗特性を示し
た。従来の構造に比べ、バレイ電流の抑制の結果、P/
V比はおよそ3倍程度増加した。
【0023】以上の本発明の実施例では、第1の半導
体、第5の半導体の導電型としてn型、第3の半導体と
してp型のものしか示さなかったが、これらの導電型を
逆にしても同様の動作が得られる。第4の半導体として
はリーク電流を抑制できる層であれば、他の材料でもよ
い。また、第5の半導体をチャネル層とした構造につい
て示したが、第5の半導体として、第2の半導体よりも
その禁止帯幅が広く、かつ第1の半導体と同じ導電型を
示すイオン化不純物を含有した層を用い、第2の半導体
表面にチャネル層が形成される構造のトランジスタに適
用することも可能である。さらに、用いる材料として、
GaAs/AlGaAs系以外にも、SiGe/Si、
Ge/GaAs、InGaAs/InAlAs、GaS
b/AlGaSbなど他の半導体でも本発明が適用でき
ることは明らかである。
【0024】
【発明の効果】本発明のトンネルトランジスタの構造に
より、その負性抵抗特性のP/V比は従来の構造に比
べ、およそ3倍に増加した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のトンネルトランジスタを示
す断面模式図である。
【図2】従来のトンネルトランジスタの断面模式図であ
る。
【図3】図1のトンネルトランジスタの製造方法を示す
断面模式図である。
【図4】図1のトンネルトランジスタの製造方法を示す
断面模式図である。
【図5】図1のトンネルトランジスタの製造方法を示す
断面模式図である。
【図6】図1のトンネルトランジスタの製造方法を示す
断面模式図である。
【図7】図1のトンネルトランジスタの製造方法を示す
断面模式図である。
【符号の説明】
1 基板 2 第1の半導体 3 第2の半導体 4 第3の半導体 5 第4の半導体 6 第5の半導体 7 第6の半導体 8 ゲート電極 9 ソース電極 10 ドレイン電極

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上の一部に、一導電型を有する縮退し
    た第1の半導体と、縮退していない第2の半導体と、前
    記第1の半導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半
    導体と、縮退していない第4の半導体との積層構造を有
    し、少なくとも前記第2の半導体の露出表面に第1の半
    導体と同一の導電型を有し、前記第2の半導体よりも禁
    止帯幅が同じもしくは狭い材料からなる縮退した第5の
    半導体と、前記第5の半導体の層上に前記第5の半導体
    よりも禁止帯幅の広い第6の半導体層と、前記第6の半
    導体の層上にショットキー接合を有する電極と、前記第
    1の半導体と第3の半導体にそれぞれオーミック接合を
    形成する一対の電極とを有することを特徴とするトンネ
    ルトランジスタ。
  2. 【請求項2】基板上の一部に、一導電型を有する縮退し
    た第1の半導体と、縮退していない第2の半導体と、前
    記第1の半導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半
    導体と、リーク電流を抑制する層との積層構造を有し、
    少なくとも前記第2の半導体の露出表面に第1の半導体
    と同一の導電型を有し、前記第2の半導体よりも禁止帯
    幅が同じもしくは狭い材料からなる縮退した第5の半導
    体と、前記第5の半導体の層上に前記第5の半導体より
    も禁止帯幅の広い第6の半導体層と、前記第6の半導体
    の層上にショットキー接合を有する電極と、前記第1の
    半導体と第3の半導体にそれぞれオーミック接合を形成
    する一対の電極とを有することを特徴とするトンネルト
    ランジスタ。
  3. 【請求項3】前記基板は半絶縁性GaAs、前記第1の
    半導体はn+ −GaAs、前記第2の半導体はアンドー
    プGaAs、前記第3の半導体はp+ −GaAs、前記
    第4の半導体はアンドープGaAs、前記第5の半導体
    はn+ −GaAs、前記第6の半導体はアンドープAl
    0.3 Ga0.7 Asであることを特徴とする請求項1記載
    のトンネルトランジスタ。
  4. 【請求項4】基板上に、一導電型を有する縮退した第1
    の半導体と、縮退していない第2の半導体と、前記第1
    の半導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半導体
    と、縮退していない第4の半導体とを積層する工程と、 ドレイン領域をメサ形状に残し、前記第1の半導体の一
    部を露出させる工程と、 以上の構造の表面に、チャネル層となる第5の半導体を
    形成する工程と、 前記第5の半導体上に、ゲート絶縁層となる第6の半導
    体を形成する工程と、 前記第6の半導体上にゲート電極を形成する工程と、 前記露出された第1の半導体上にソース電極を形成する
    工程と、 前記第3の半導体上に、ドレイン電極を形成する工程
    と、を含むことを特徴とするトンネルトランジスタの製
    造方法。
  5. 【請求項5】基板上に、一導電型を有する縮退した第1
    の半導体と、縮退していない第2の半導体と、前記第1
    の半導体と反対の導電型を有し縮退した第3の半導体
    と、リーク電流を抑制する層とを積層する工程と、 ドレイン領域をメサ形状に残し、前記第1の半導体の一
    部を露出させる工程と、 以上の構造の表面に、チャネル層となる第5の半導体を
    形成する工程と、 前記第5の半導体上に、ゲート絶縁層となる第6の半導
    体を形成する工程と、 前記第6の半導体上にゲート電極を形成する工程と、 前記露出された第1の半導体上にソース電極を形成する
    工程と、 前記第3の半導体上に、ドレイン電極を形成する工程
    と、を含むことを特徴とするトンネルトランジスタの製
    造方法。
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