JP2687519B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置及びその製造方法Info
- Publication number
- JP2687519B2 JP2687519B2 JP63309319A JP30931988A JP2687519B2 JP 2687519 B2 JP2687519 B2 JP 2687519B2 JP 63309319 A JP63309319 A JP 63309319A JP 30931988 A JP30931988 A JP 30931988A JP 2687519 B2 JP2687519 B2 JP 2687519B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- tunnel barrier
- base
- emitter
- barrier layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 59
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 13
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 75
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 10
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 8
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 7
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 6
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 16
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 10
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 5
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- QOSATHPSBFQAML-UHFFFAOYSA-N hydrogen peroxide;hydrate Chemical compound O.OO QOSATHPSBFQAML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
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
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
- H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
- H01L29/66234—Bipolar junction transistors [BJT]
- H01L29/6631—Bipolar junction transistors [BJT] with an active layer made of a group 13/15 material
- H01L29/66318—Heterojunction transistors
-
- 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
- H01L29/73—Bipolar junction transistors
- H01L29/737—Hetero-junction transistors
- H01L29/7371—Vertical transistors
- H01L29/7376—Resonant tunnelling transistors
-
- 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
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/20—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はトンネリング・エミッタ・トランジスタと呼
ばれる高速半導体装置に関するものである。
ばれる高速半導体装置に関するものである。
（従来の技術） 近年の化合物半導体の多層薄膜結晶の成長技術の進歩
により多種多様な高性能半導体装置が実現されている。
その中でも量子力学的トンネル効果により電子がポテン
シャル障壁を透過する現象を利用した電子注入機構をも
つトンネリング・エミッタ・トランジスタ（TET）と総
称される半導体装置が超高速半導体装置として有望視さ
れている。この電子注入機構は次世代の超高速デバイス
として注目されているヘテロ接合バイポーラトランジス
タ（HBT）やホットエレクトロントランジスタ（HET）に
も応用でき、さらにバリア層を複数重ねて共鳴トンネル
現象を利用することによりこれらの素子に機能をもたせ
ることも可能であるなど、半導体装置の分野の中で重要
な意味を持っている。
により多種多様な高性能半導体装置が実現されている。
その中でも量子力学的トンネル効果により電子がポテン
シャル障壁を透過する現象を利用した電子注入機構をも
つトンネリング・エミッタ・トランジスタ（TET）と総
称される半導体装置が超高速半導体装置として有望視さ
れている。この電子注入機構は次世代の超高速デバイス
として注目されているヘテロ接合バイポーラトランジス
タ（HBT）やホットエレクトロントランジスタ（HET）に
も応用でき、さらにバリア層を複数重ねて共鳴トンネル
現象を利用することによりこれらの素子に機能をもたせ
ることも可能であるなど、半導体装置の分野の中で重要
な意味を持っている。
TETの従来例を第６図及び第７図を用いて説明する。
基本的にエミッタ、ベース、コレクタからなる縦型の半
導体装置において高速性能を大きく制限する共通の要素
として寄生ベース・コレクタ容量がある。この寄生容量
を最小限に抑えるためにはコレクタがエミッタよりも上
に位置するコレクタトップ型の方が逆のエミッタトップ
型よりも有利であることが知られている。第６図に示す
エミッタトップ型の素子は半絶縁性基板１の上にコレク
タコンタクト層７としてｎ＋-GaAs、コレクタ層６とし
てｎ−-GaAs、ベース層５としてｐ＋-GaAs、トンネル・
バリア層４としてi-Al0.5Ga0.5As、エミッタ層３として
n-GaAs、エミッタコンタクト層２としてｎ＋-GaAsの各
半導体層が順次積まれたバイポーラトランジスタの構造
になっている。この場合ベース・コレクタ接合面に生ず
るベース・コレクタ容量は真性領域18のみならず外部ト
ランジスタ領域19にまで及んでいるためこの大きなベー
ス・コレクタ容量がTETの高速性能を著るしく制限して
いる。一方第７図に示すコレクタトップ型の素子の場合
半絶縁性基板１に積まれる半導体層の順序は前記エミッ
タトップの場合の反対になるが、構造上ベース・コレク
タ容量が真性トランジスタ領域18に生ずるのみであるた
め高速特性が大幅に改善されることが期待される。
基本的にエミッタ、ベース、コレクタからなる縦型の半
導体装置において高速性能を大きく制限する共通の要素
として寄生ベース・コレクタ容量がある。この寄生容量
を最小限に抑えるためにはコレクタがエミッタよりも上
に位置するコレクタトップ型の方が逆のエミッタトップ
型よりも有利であることが知られている。第６図に示す
エミッタトップ型の素子は半絶縁性基板１の上にコレク
タコンタクト層７としてｎ＋-GaAs、コレクタ層６とし
てｎ−-GaAs、ベース層５としてｐ＋-GaAs、トンネル・
バリア層４としてi-Al0.5Ga0.5As、エミッタ層３として
n-GaAs、エミッタコンタクト層２としてｎ＋-GaAsの各
半導体層が順次積まれたバイポーラトランジスタの構造
になっている。この場合ベース・コレクタ接合面に生ず
るベース・コレクタ容量は真性領域18のみならず外部ト
ランジスタ領域19にまで及んでいるためこの大きなベー
ス・コレクタ容量がTETの高速性能を著るしく制限して
いる。一方第７図に示すコレクタトップ型の素子の場合
半絶縁性基板１に積まれる半導体層の順序は前記エミッ
タトップの場合の反対になるが、構造上ベース・コレク
タ容量が真性トランジスタ領域18に生ずるのみであるた
め高速特性が大幅に改善されることが期待される。
（本発明が解決しようとする問題点） ところがコレクタトップ型の素子構造は寄生ベース・
コレクタ容量を最小限に抑えられる反面、第７図に示す
ようにエミッタからベースへのキャリヤ（この場合電
子）の注入は真性トランジスタ領域18において（図中17
aの位置）のみならず、外部トランジスタ領域19におい
ても（図中17bの位置）生じてしまう。後者の注入電子
はトランジスタ動作に寄与しないばかりではなく電流利
得を大幅に低減させ、これがコレクタトップ型の素子構
造の欠点になっている。
コレクタ容量を最小限に抑えられる反面、第７図に示す
ようにエミッタからベースへのキャリヤ（この場合電
子）の注入は真性トランジスタ領域18において（図中17
aの位置）のみならず、外部トランジスタ領域19におい
ても（図中17bの位置）生じてしまう。後者の注入電子
はトランジスタ動作に寄与しないばかりではなく電流利
得を大幅に低減させ、これがコレクタトップ型の素子構
造の欠点になっている。
本発明の目的は、上記問題点を鑑みてトンネル注入機
構の特徴を活かすことにより電流利得の劣化が起こらな
いコレクタトップ型TETの構造および製造方法を提供す
ることにある。
構の特徴を活かすことにより電流利得の劣化が起こらな
いコレクタトップ型TETの構造および製造方法を提供す
ることにある。
（課題を解決するための手段） 本発明の半導体装置は、半導体基板上に少なくともエ
ミッタ層、エミッタおよびベースより電子親和力の小さ
い半導体材料からなるトンネルバリア層、ベース層、お
よびコレクタ層の主要な半導体層が順に形成され、エミ
ッタからベースへの少数のキャリアの注入がトンネルバ
リア層を介するトンネル機構により制御される半導体装
置において、トンネルバリア層の層厚が真性トランジス
タ領域におけるよりも外部トランジスタ領域における方
が大となることを特徴とする。
ミッタ層、エミッタおよびベースより電子親和力の小さ
い半導体材料からなるトンネルバリア層、ベース層、お
よびコレクタ層の主要な半導体層が順に形成され、エミ
ッタからベースへの少数のキャリアの注入がトンネルバ
リア層を介するトンネル機構により制御される半導体装
置において、トンネルバリア層の層厚が真性トランジス
タ領域におけるよりも外部トランジスタ領域における方
が大となることを特徴とする。
または、トンネルバリア層がエミッタおよびベースよ
り電子親和力の小さい半導体材料からなる２層以上の層
により構成されることを特徴とする。
り電子親和力の小さい半導体材料からなる２層以上の層
により構成されることを特徴とする。
または、ベースの導電型がエミッタおよびコレクタの
導電型と異なるバイポーラトランジスタであることを特
徴とする。
導電型と異なるバイポーラトランジスタであることを特
徴とする。
または、ベース、エミッタおよびコレクタの導電型が
同一であり、コレクタにおいてベースよりも電子親和力
の小さい半導体層が少なくとも含まれるホットエレクト
ロントランジスタであることを特徴とする。
同一であり、コレクタにおいてベースよりも電子親和力
の小さい半導体層が少なくとも含まれるホットエレクト
ロントランジスタであることを特徴とする。
または、トンネルバリア層の層構造が、エミッタおよ
びベースより電子親和力の小さい第１および第２のトン
ネルバリア層が前記第１および第２のトンネルバリア層
よりも電子親和力が大きな量子井戸層を挟んでいる共鳴
トンネルバリア構造になっていることを特徴とする。
びベースより電子親和力の小さい第１および第２のトン
ネルバリア層が前記第１および第２のトンネルバリア層
よりも電子親和力が大きな量子井戸層を挟んでいる共鳴
トンネルバリア構造になっていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に少
なくともエミッタ層、エミッタより電子親和力の小さい
半導体材料からなるトンネルバリア層、ベースコンタク
ト層の主要な半導体層を順に形成し、次いで前記半導体
基板上の真性トランジスタ領域において、前記ベース・
コンタクト層をエッチング除去し、さらに前記トンネル
バリア層の一部をエッチングしその厚みが外部トランジ
スタ領域における厚みよりも薄くなるようにした後、ベ
ース層、コレクタ層を成長する工程を含むことを特徴と
する。
なくともエミッタ層、エミッタより電子親和力の小さい
半導体材料からなるトンネルバリア層、ベースコンタク
ト層の主要な半導体層を順に形成し、次いで前記半導体
基板上の真性トランジスタ領域において、前記ベース・
コンタクト層をエッチング除去し、さらに前記トンネル
バリア層の一部をエッチングしその厚みが外部トランジ
スタ領域における厚みよりも薄くなるようにした後、ベ
ース層、コレクタ層を成長する工程を含むことを特徴と
する。
または上記の方法で、トンネルバリア層内の所定の位
置にエッチング停止層を設け、トンネルバリア層をエッ
チングする工程において、エッチング停止層でエッチン
グを停止させることを特徴とする。
置にエッチング停止層を設け、トンネルバリア層をエッ
チングする工程において、エッチング停止層でエッチン
グを停止させることを特徴とする。
または、半導体基板上に少なくともエミッタ層、エミ
ッタおよびベースより電子親和力の小さい半導体材料か
らなる第１および第２のトンネルバリア層、ベースコン
タクト層の主要な層が順に形成されている半導体基板上
の所定の領域において前記第１のトンネルバリア層のみ
をエッチングし第２のトンネルバリア層をエッチングし
ないで第２のトンネルバリア層を表出し、次いでベース
層、コレクタ層を成長する工程を含むことを特徴とす
る。
ッタおよびベースより電子親和力の小さい半導体材料か
らなる第１および第２のトンネルバリア層、ベースコン
タクト層の主要な層が順に形成されている半導体基板上
の所定の領域において前記第１のトンネルバリア層のみ
をエッチングし第２のトンネルバリア層をエッチングし
ないで第２のトンネルバリア層を表出し、次いでベース
層、コレクタ層を成長する工程を含むことを特徴とす
る。
または上記の方法で、ベース層、コレクタ層を結晶成
長マスクを用いた選択成長によって形成することを特徴
とする。
長マスクを用いた選択成長によって形成することを特徴
とする。
（作用） 電子（または正孔）がトンネル・バリア層をトンネル
する確率ＴはＴが１より充分小さい場合、電子（または
正孔）の有効質量ｍ＊、トンネル・バリア層内の層に対
して垂直な方向の位置ｘに依存するポテンシャル・エネ
ルギーの高さＶ（ｘ）、電子エネルギーＥ、プランク定
数 を用いて、 と表わせられる。もしバリア層中のポテンシャルが一定
値V0を取ると仮定すると、トンネル確率Ｔは （但しＡは定数）となりバリア層の厚みＷまたはトンネ
ルするキャリア（電子または正孔）が大きくなるに従い
指数関数的に小さくなることがわかる。本発明のTETに
おいてはトンネル・バリア層の厚みが外部トランジスタ
領域における方が真性トランジスタ領域におけるよりも
大きく設定されるため同じベース・エミッタ間のバイア
ス条件で比較するとキャリアがトンネル・バリア層をト
ンネル効果により透過する確率は真性トランジスタ領域
における方がはるかに大きい。従って外部トランジスタ
領域におけるキャリアの注入は事実上無視でき高速性能
に優れかつ電流利得の大きな素子が実現される。
する確率ＴはＴが１より充分小さい場合、電子（または
正孔）の有効質量ｍ＊、トンネル・バリア層内の層に対
して垂直な方向の位置ｘに依存するポテンシャル・エネ
ルギーの高さＶ（ｘ）、電子エネルギーＥ、プランク定
数 を用いて、 と表わせられる。もしバリア層中のポテンシャルが一定
値V0を取ると仮定すると、トンネル確率Ｔは （但しＡは定数）となりバリア層の厚みＷまたはトンネ
ルするキャリア（電子または正孔）が大きくなるに従い
指数関数的に小さくなることがわかる。本発明のTETに
おいてはトンネル・バリア層の厚みが外部トランジスタ
領域における方が真性トランジスタ領域におけるよりも
大きく設定されるため同じベース・エミッタ間のバイア
ス条件で比較するとキャリアがトンネル・バリア層をト
ンネル効果により透過する確率は真性トランジスタ領域
における方がはるかに大きい。従って外部トランジスタ
領域におけるキャリアの注入は事実上無視でき高速性能
に優れかつ電流利得の大きな素子が実現される。
（実施例） 第１図（ａ）〜（ｃ）及び第２図（ａ）〜（ｆ）を用
いて本発明の実施例を説明する。第２図において半絶縁
性基板１の上にエミッタコンタクト層２として500nmの
ｎ＋-GaAs、エミッタ層３として500nmのｎ−-GaAs、バ
リア層４として150nmのi-Al0.5Ga0.5As、ベースコンタ
クト層5aとして100nmのｐ＋-GaAsを順次成長した後、Si
O2膜11を200nm成膜し（第２図（ａ））、さらにウエハ
ーの所定の領域においてリングラフィーによりフォトレ
ジスト12を用いた開口パターンを形成し前記SiO2膜を希
薄フッ酸によりエッチングしてベース・コンタクト層5a
を表出する（第２図（ｂ））。次にフォトレジスト12及
びSiO2膜11をマスクとしてベース・コンタクト層5a及び
バリア層４を20nmのバリア層４のみを残してエッチング
する（第２図（ｃ））。次にフォトレジスト12をマスク
として希薄フッ酸を用いたエッチングによりSiO2膜11の
開口領域を広げ（第２図（ｄ））、フォトレジスト12を
除去するとSiO2膜11から成る結晶成長マスクが形成され
る。次に例えば有機金属気相成長法（MOCVD法）を用い
て、半導体層が結晶成長マスクで覆われた領域以外にの
み成長する選択成長により、ベース層5bとしてｐ＋-GaA
sを60nm、コレクタ層６としてn-GaAsを400nm、コレクタ
コンタクト層７としてｎ＋-GaAsを100nm成長する（第２
図（ｅ））。最後にエミッタ電極形成のためエミッタ・
コンタクト層２を表出した後、エミッタ、ベース、コレ
クタの各電極9e、9b、9cを設けることにより第１図
（ａ）に示す本発明の素子構造が完成する。第１図
（ｂ）（ｃ）に示す様にトンネル・バリア層４のAl0.5G
a0.5Asはエミッタ層３およびベース層5a、5bのGaAsより
も電子親和力が小さいために電子がエミッタからベース
へ流れるためには電子親和力の差21に相当するエネルギ
ー障壁を通過しなくてはならない。第１図（ａ）に示す
様にトンネル・バリア層４は真性トランジスタ領域18い
おいては20nmと薄く外部トランジスタ領域19においては
150nmと厚くなっている。その結果実際の動作条件のも
とでエミッタからベースへ注入されるべき電子20eの波
動関数は、外部トランジスタ領域19においてはトンネル
・バリア層内へ浸透するにつれて減衰が大きくなる（第
１図（ｃ）中の16′）のに対して、真性トランジスタ領
域18においては実質的な減衰を受けることなく20nmの薄
いトンネル・バリア層４を通過することができる（第１
図（ｂ）中の16）。従って外部トランジスタ領域19にお
ける電子の注入を防ぐことができる。なお、正孔20hは
電子20eよりもはるかに大きな有効質量ｍ＊をもつため
上記の式からわかるように同じトンネル・バリア層を透
過する確率は電子と比較して極めて小さい。従って正孔
20hがベースからエミッタへ流れて電流利得が劣化する
心配はない。
いて本発明の実施例を説明する。第２図において半絶縁
性基板１の上にエミッタコンタクト層２として500nmの
ｎ＋-GaAs、エミッタ層３として500nmのｎ−-GaAs、バ
リア層４として150nmのi-Al0.5Ga0.5As、ベースコンタ
クト層5aとして100nmのｐ＋-GaAsを順次成長した後、Si
O2膜11を200nm成膜し（第２図（ａ））、さらにウエハ
ーの所定の領域においてリングラフィーによりフォトレ
ジスト12を用いた開口パターンを形成し前記SiO2膜を希
薄フッ酸によりエッチングしてベース・コンタクト層5a
を表出する（第２図（ｂ））。次にフォトレジスト12及
びSiO2膜11をマスクとしてベース・コンタクト層5a及び
バリア層４を20nmのバリア層４のみを残してエッチング
する（第２図（ｃ））。次にフォトレジスト12をマスク
として希薄フッ酸を用いたエッチングによりSiO2膜11の
開口領域を広げ（第２図（ｄ））、フォトレジスト12を
除去するとSiO2膜11から成る結晶成長マスクが形成され
る。次に例えば有機金属気相成長法（MOCVD法）を用い
て、半導体層が結晶成長マスクで覆われた領域以外にの
み成長する選択成長により、ベース層5bとしてｐ＋-GaA
sを60nm、コレクタ層６としてn-GaAsを400nm、コレクタ
コンタクト層７としてｎ＋-GaAsを100nm成長する（第２
図（ｅ））。最後にエミッタ電極形成のためエミッタ・
コンタクト層２を表出した後、エミッタ、ベース、コレ
クタの各電極9e、9b、9cを設けることにより第１図
（ａ）に示す本発明の素子構造が完成する。第１図
（ｂ）（ｃ）に示す様にトンネル・バリア層４のAl0.5G
a0.5Asはエミッタ層３およびベース層5a、5bのGaAsより
も電子親和力が小さいために電子がエミッタからベース
へ流れるためには電子親和力の差21に相当するエネルギ
ー障壁を通過しなくてはならない。第１図（ａ）に示す
様にトンネル・バリア層４は真性トランジスタ領域18い
おいては20nmと薄く外部トランジスタ領域19においては
150nmと厚くなっている。その結果実際の動作条件のも
とでエミッタからベースへ注入されるべき電子20eの波
動関数は、外部トランジスタ領域19においてはトンネル
・バリア層内へ浸透するにつれて減衰が大きくなる（第
１図（ｃ）中の16′）のに対して、真性トランジスタ領
域18においては実質的な減衰を受けることなく20nmの薄
いトンネル・バリア層４を通過することができる（第１
図（ｂ）中の16）。従って外部トランジスタ領域19にお
ける電子の注入を防ぐことができる。なお、正孔20hは
電子20eよりもはるかに大きな有効質量ｍ＊をもつため
上記の式からわかるように同じトンネル・バリア層を透
過する確率は電子と比較して極めて小さい。従って正孔
20hがベースからエミッタへ流れて電流利得が劣化する
心配はない。
上記の製造方法は20nmというきわめて薄い膜厚のトン
ネル・バリア層を残して半導体層のエッチングを止める
という高いエッチング精度が求められるため必ずしも製
造が容易ではない。そこで第３図に示すようにバリア層
４の成長時に、エッチングを停止すべき所にエッチング
せ自動的に停止させるエッチング停止層を挿入すること
により所望の厚みのみ残してトンネル・バリア層４をエ
ッチングすることが容易になる。エッチング停止層とし
ては、例えば、Al0.5Ga0.5Asからなるバリア層に対して
3nmという極薄膜のInP層を用いれば、リン酸、過酸化水
素水、水からなる混合液エッチャントに対してはInPは
エッチングされずGaAsのみエッチングされる。InPはAlG
aAsと格子整合しない材料であるが膜厚が非常に薄いた
めに、結晶に転移が入るなど材料の質への影響や電気的
性質への影響は全くない。エッチング停止層に用いる半
導体材料としてはInPに限られず、またエッチング方法
に関しても様ざまな方法があり例えばCCI2F2とHeの混合
ガスを用いた反応性イオンエッチング（RIE）によりAlG
aAsからなるトンネル・バリア層に対してGaAsを用いた
エッチング停止層においてエッチングを停止させること
も可能である。
ネル・バリア層を残して半導体層のエッチングを止める
という高いエッチング精度が求められるため必ずしも製
造が容易ではない。そこで第３図に示すようにバリア層
４の成長時に、エッチングを停止すべき所にエッチング
せ自動的に停止させるエッチング停止層を挿入すること
により所望の厚みのみ残してトンネル・バリア層４をエ
ッチングすることが容易になる。エッチング停止層とし
ては、例えば、Al0.5Ga0.5Asからなるバリア層に対して
3nmという極薄膜のInP層を用いれば、リン酸、過酸化水
素水、水からなる混合液エッチャントに対してはInPは
エッチングされずGaAsのみエッチングされる。InPはAlG
aAsと格子整合しない材料であるが膜厚が非常に薄いた
めに、結晶に転移が入るなど材料の質への影響や電気的
性質への影響は全くない。エッチング停止層に用いる半
導体材料としてはInPに限られず、またエッチング方法
に関しても様ざまな方法があり例えばCCI2F2とHeの混合
ガスを用いた反応性イオンエッチング（RIE）によりAlG
aAsからなるトンネル・バリア層に対してGaAsを用いた
エッチング停止層においてエッチングを停止させること
も可能である。
第４図は本発明の半導体装置の製造方法に関わる第三
の発明の実施例を説明する図である。半絶縁性基板１の
上にエミッタコンタクト層２として500nmのｎ＋-InGaAs
（InPに対して格子整合した混晶組成。以下同様）、エ
ミッタ層３として500nmのｎ−-InGaAs、第１のバリア層
41として20nmのi-InAlAs、第２のバリア層42として100n
mのInP、ベース・コンタクト層5aとして100nmのｎ＋-In
GaAsを順次成長した後、第２図と同様な工程によりベー
ス層5bとして60nmのｎ＋-InGaAs、コレクタ層６として2
00nmのi-InAlAsさらにコレクタ・コンタクト層７として
100nmのｎ＋-InGaAsを成長することによりホット・エレ
クトロン・トランジスタ型TETを製造することができ
る。ただしトンネル・バリア層のエッチングは例えばリ
ン酸、過酸化水素水、水の混合エッチャントのようにIn
Pは浸さずInAlAsのみエッチングするエッチャントを用
いて第１のトンネル・バリア層41を残し第２のトンネル
・バリア層42のみをエッチングする。これにより本発明
に関わる半導体装置の構造が実現される。すなわちエミ
ッタ３から注入される電子は真性トランジスタ領域18に
おける薄い第１のトンネル・バリア層41をトンネル効果
によりベース層5bへ透過できる一方、外部トランジスタ
領域19においては第１のトンネル・バリア層41およびト
ンネル・バリア層42からなる厚いトンネル・バリア層に
よりベースコンタクト層5aへの通過が阻まれる。
の発明の実施例を説明する図である。半絶縁性基板１の
上にエミッタコンタクト層２として500nmのｎ＋-InGaAs
（InPに対して格子整合した混晶組成。以下同様）、エ
ミッタ層３として500nmのｎ−-InGaAs、第１のバリア層
41として20nmのi-InAlAs、第２のバリア層42として100n
mのInP、ベース・コンタクト層5aとして100nmのｎ＋-In
GaAsを順次成長した後、第２図と同様な工程によりベー
ス層5bとして60nmのｎ＋-InGaAs、コレクタ層６として2
00nmのi-InAlAsさらにコレクタ・コンタクト層７として
100nmのｎ＋-InGaAsを成長することによりホット・エレ
クトロン・トランジスタ型TETを製造することができ
る。ただしトンネル・バリア層のエッチングは例えばリ
ン酸、過酸化水素水、水の混合エッチャントのようにIn
Pは浸さずInAlAsのみエッチングするエッチャントを用
いて第１のトンネル・バリア層41を残し第２のトンネル
・バリア層42のみをエッチングする。これにより本発明
に関わる半導体装置の構造が実現される。すなわちエミ
ッタ３から注入される電子は真性トランジスタ領域18に
おける薄い第１のトンネル・バリア層41をトンネル効果
によりベース層5bへ透過できる一方、外部トランジスタ
領域19においては第１のトンネル・バリア層41およびト
ンネル・バリア層42からなる厚いトンネル・バリア層に
よりベースコンタクト層5aへの通過が阻まれる。
上記の製造方法において第１のトンネル・バリア層と
しては単層の半導体層のみならず複数の半導体層からな
る層を用いてもよい。第５図は本発明に関わる第２の製
造方法の一実施例を説明する図である、第１のトンネル
・バリア層は100nmのInGaAsからなる量子井戸閉じ込め
層4cが各々150nmのInPからなる量子井戸バリア層4bによ
って挟まれた構造になっている。エミッタ・ベース間に
バイアスを印加してエミッタのフェルミ準位13が量子井
戸閉じ込め層内に生じる量子力学的な離散エネルギー準
位17とエネルギー的に一致したとき電子のトンネル透過
確率が共鳴的に増大し、電子はこの量子井戸構造をとる
第１のトンネル・バリア層を通過することができる。第
１のトンネル・バリア層を通過した電子は第１図に示し
た真性トランジスタ領域18に相当する部分ではベース層
5bへ注入され（第５図（ｂ））、第１図に示した外部ト
ランジスタ領域19に相当する領域においてはInAlAsから
なる第２のトンネル・バリア層42によってベース・コン
タクト層5aへの通過が阻まれる（第５図（ｃ））のは既
に説明した通りである。
しては単層の半導体層のみならず複数の半導体層からな
る層を用いてもよい。第５図は本発明に関わる第２の製
造方法の一実施例を説明する図である、第１のトンネル
・バリア層は100nmのInGaAsからなる量子井戸閉じ込め
層4cが各々150nmのInPからなる量子井戸バリア層4bによ
って挟まれた構造になっている。エミッタ・ベース間に
バイアスを印加してエミッタのフェルミ準位13が量子井
戸閉じ込め層内に生じる量子力学的な離散エネルギー準
位17とエネルギー的に一致したとき電子のトンネル透過
確率が共鳴的に増大し、電子はこの量子井戸構造をとる
第１のトンネル・バリア層を通過することができる。第
１のトンネル・バリア層を通過した電子は第１図に示し
た真性トランジスタ領域18に相当する部分ではベース層
5bへ注入され（第５図（ｂ））、第１図に示した外部ト
ランジスタ領域19に相当する領域においてはInAlAsから
なる第２のトンネル・バリア層42によってベース・コン
タクト層5aへの通過が阻まれる（第５図（ｃ））のは既
に説明した通りである。
本実施例においてはAlGaAs/GaAsやInAlAs/InGaAs/InP
の半導体材料系を用いているがこれらに限らず、例えば
SixGe1-x/Si、GaAs/Geなどを用いてもよく、また格子整
合系に限らず格子不整合系でもよい。
の半導体材料系を用いているがこれらに限らず、例えば
SixGe1-x/Si、GaAs/Geなどを用いてもよく、また格子整
合系に限らず格子不整合系でもよい。
（発明の効果） 本発明によりトンネリング・エミッタ・トランジスタ
を高性能化させる上で重要なコレクタ・トップ型素子構
造が電流利得の劣化につながることなく容易に実現され
る。本発明はこの半導体装置におけるキャリア注入機構
であるトンネル現象の電子透過確率をバリア層の厚みに
よって変調するという制御性の良い方法を用いているた
め信頼性の高い製造が可能である。
を高性能化させる上で重要なコレクタ・トップ型素子構
造が電流利得の劣化につながることなく容易に実現され
る。本発明はこの半導体装置におけるキャリア注入機構
であるトンネル現象の電子透過確率をバリア層の厚みに
よって変調するという制御性の良い方法を用いているた
め信頼性の高い製造が可能である。
第１図（ａ）および第４図は本発明の一実施例を示すト
ンネリング・エミッタ・トランジスタの構造断面図であ
り、第２図は本発明による半導体装置の製造方法の工程
を示す図である。第３図および第５図（ａ）はトンネル
・バリア層の構造断面図である。第１図（ｂ）（ｃ）お
よび第５図（ｂ）（ｃ）は電子がトンネル効果によりバ
リア層を透過ないし減衰しながら浸入する様子を素子内
におけるエネルギー・バンド図を用いて示す図である。
第６図は従来のエミッタ・トップ型トンネリング・エミ
ッタ・トランジスタを示す構造断面図、第７図は従来の
コレクタ・トップ型トンネリング・エミッタ・トランジ
スタを示す構造断面図である。 図において １……半絶縁性基板、２……エミッタコンタクト層、３
……エミッタ層、4,41,42……バリア層、4b……量子井
戸バリア層、4c……量子井戸層、5a……ベース・コンタ
クト層、5b……ベース層、６……コレクタ層、７……コ
レクタ・コンタクト層、9e,9b,9c……電極、10……エッ
チング停止層、11……絶縁膜（SiO2）、12……フォトレ
ジスト、13……フェルミ準位、14……エネルギー伝導帯
の底、15……エネルギー価電子帯の上限、16,16′……
量子のトンネル効果による透過ないし浸入、17……量子
井戸内のエネルギー準位、18……真性トランジスタ領
域、19……外部トランジスタ領域、20e,20h……電子、
正孔、21……電子親和力の差（エネルギー障壁の高
さ）。
ンネリング・エミッタ・トランジスタの構造断面図であ
り、第２図は本発明による半導体装置の製造方法の工程
を示す図である。第３図および第５図（ａ）はトンネル
・バリア層の構造断面図である。第１図（ｂ）（ｃ）お
よび第５図（ｂ）（ｃ）は電子がトンネル効果によりバ
リア層を透過ないし減衰しながら浸入する様子を素子内
におけるエネルギー・バンド図を用いて示す図である。
第６図は従来のエミッタ・トップ型トンネリング・エミ
ッタ・トランジスタを示す構造断面図、第７図は従来の
コレクタ・トップ型トンネリング・エミッタ・トランジ
スタを示す構造断面図である。 図において １……半絶縁性基板、２……エミッタコンタクト層、３
……エミッタ層、4,41,42……バリア層、4b……量子井
戸バリア層、4c……量子井戸層、5a……ベース・コンタ
クト層、5b……ベース層、６……コレクタ層、７……コ
レクタ・コンタクト層、9e,9b,9c……電極、10……エッ
チング停止層、11……絶縁膜（SiO2）、12……フォトレ
ジスト、13……フェルミ準位、14……エネルギー伝導帯
の底、15……エネルギー価電子帯の上限、16,16′……
量子のトンネル効果による透過ないし浸入、17……量子
井戸内のエネルギー準位、18……真性トランジスタ領
域、19……外部トランジスタ領域、20e,20h……電子、
正孔、21……電子親和力の差（エネルギー障壁の高
さ）。
Claims (9)
- 【請求項１】半導体基板上に少なくともエミッタ層、エ
ミッタおよびベースより電子親和力の小さい半導体材料
からなるトンネルバリア層、ベース層、およびコレクタ
層の主要な半導体層が順に形成され、エミッタからベー
スへの少数キャリアの注入がトンネルバリア層を介する
トンネル機構により制御される半導体装置において、ト
ンネルバリア層の層厚が真性トランジスタ領域における
よりも外部トランジスタ領域における方が大なることを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】トンネルバリア層がエミッタおよびベース
より電子親和力の小さい半導体材料からなる２層以上の
層により構成されることを特徴とする請求項１記載の半
導体装置。 - 【請求項３】ベースの導電型がエミッタおよびコレクタ
の導電型と異なるバイポーラトランジスタであることを
特徴とする請求項１記載の半導体装置。 - 【請求項４】ベース、エミッタおよびコレクタの導電型
が同一であり、コレクタにおいてベースよりも電子親和
力の小さい半導体層が少なくとも含まれるホットエレク
トロントランジスタであることを特徴とする請求項１記
載の半導体装置。 - 【請求項５】トンネルバリア層の層構造が、エミッタお
よびベースより電子親和力の小さい第１および第２のト
ンネルバリア層が前記第１および第２のトンネルバリア
層よりも電子親和力が大きな量子井戸層を挟んでいる共
鳴トンネルバリア構造になっていることを特徴とする請
求項１、請求項２、請求項３または請求項４記載の半導
体装置。 - 【請求項６】半導体基板上に少なくともエミッタ層、エ
ミッタより電子親和力の小さい半導体材料からなるトン
ネルバリア層、ベースコンタクト層の主要な半導体層を
順に形成し、次いで前記半導体基板上の真性トランジス
タ領域において、前記ベース・コンタクト層をエッチン
グ除去し、さらに前記トンネルバリア層の一部をエッチ
ングしその厚みが外部トランジスタ領域における厚みよ
りも薄くなるようにした後、ベース層、コレクタ層を成
長する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項７】トンネルバリア層内の所定の位置にエッチ
ング停止層を設け、トンネルバリア層をエッチングする
工程において、エッチング停止層でエッチングを停止さ
せることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造
方法。 - 【請求項８】半導体基板上に少なくともエミッタ層、エ
ミッタおよびベースより電子親和力の小さい半導体材料
からなる第１および第２のトンネルバリア層、ベースコ
ンタクト層の主要な層が順に形成されている半導体基板
上の所定の領域において前記第１のトンネルバリア層の
みをエッチングし第２のトンネルバリア層をエッチング
しないで第２のトンネルバリア層を表出し、次いでベー
ス層、コレクタ層を成長する工程を含むことを特徴とす
る半導体装置の製造方法。 - 【請求項９】ベース層、コレクタ層を結晶成長マスクを
用いた選択成長によって形成することを特徴とする請求
項６または請求項８記載の半導体装置の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63309319A JP2687519B2 (ja) | 1988-12-06 | 1988-12-06 | 半導体装置及びその製造方法 |
| US07/446,423 US5111265A (en) | 1988-12-06 | 1989-12-05 | Collector-top type transistor causing no deterioration in current gain |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63309319A JP2687519B2 (ja) | 1988-12-06 | 1988-12-06 | 半導体装置及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02154430A JPH02154430A (ja) | 1990-06-13 |
| JP2687519B2 true JP2687519B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=17991585
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63309319A Expired - Fee Related JP2687519B2 (ja) | 1988-12-06 | 1988-12-06 | 半導体装置及びその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5111265A (ja) |
| JP (1) | JP2687519B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2731089B2 (ja) * | 1991-10-02 | 1998-03-25 | 三菱電機株式会社 | 高速動作半導体装置およびその製造方法 |
| US5508535A (en) * | 1992-01-09 | 1996-04-16 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Compound semiconductor devices |
| FR2697945B1 (fr) * | 1992-11-06 | 1995-01-06 | Thomson Csf | Procédé de gravure d'une hétérostructure de matériaux du groupe III-V. |
| JPH10223651A (ja) * | 1997-02-05 | 1998-08-21 | Nec Corp | 電界効果トランジスタ |
| US7494887B1 (en) * | 2004-08-17 | 2009-02-24 | Hrl Laboratories, Llc | Method and apparatus for fabricating heterojunction bipolar transistors with simultaneous low base resistance and short base transit time |
| US9379257B2 (en) * | 2012-06-22 | 2016-06-28 | Infineon Technologies Ag | Electrical device and method for manufacturing same |
| CN106486366B (zh) * | 2015-08-26 | 2019-09-27 | 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 | 减薄磷化铟层的方法 |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3489963A (en) * | 1967-06-16 | 1970-01-13 | Ibm | Integrated differential transistor |
| US3626257A (en) * | 1969-04-01 | 1971-12-07 | Ibm | Semiconductor device with superlattice region |
| US4439782A (en) * | 1980-11-21 | 1984-03-27 | University Of Illinois Foundation | Semiconductor device with heterojunction of Alx Ga1-x As--AlAs--Ga |
| US4450463A (en) * | 1981-06-29 | 1984-05-22 | Rockwell International Corporation | Multiple-quantum-layer photodetector |
| JPS59168677A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-22 | Fujitsu Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| DE3480631D1 (de) * | 1983-06-24 | 1990-01-04 | Nec Corp | Halbleiterstruktur mit uebergitter hoher traegerdichte. |
| US4688068A (en) * | 1983-07-08 | 1987-08-18 | The United States Of America As Represented By The Department Of Energy | Quantum well multijunction photovoltaic cell |
| JPH0626242B2 (ja) * | 1983-12-05 | 1994-04-06 | 富士通株式会社 | 半導体集積回路装置 |
| JPS61202888A (ja) * | 1985-03-05 | 1986-09-08 | Sharp Corp | 記録方式 |
| JPS61296765A (ja) * | 1985-06-26 | 1986-12-27 | Fujitsu Ltd | ホツト・エレクトロン・トランジスタ |
| CA1291224C (en) * | 1985-10-12 | 1991-10-22 | Naoki Yokoyama | Logic circuit using resonant-tunneling transistor |
| US4645707A (en) * | 1985-11-19 | 1987-02-24 | The General Electric Company, P.L.C. | Semiconductor devices |
| JPH0611056B2 (ja) * | 1985-12-03 | 1994-02-09 | 富士通株式会社 | 高速半導体装置 |
| JPS62152165A (ja) * | 1985-12-25 | 1987-07-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | バイポ−ラトランジスタの製造方法 |
| JPH0760890B2 (ja) * | 1986-03-05 | 1995-06-28 | 富士通株式会社 | 高速半導体装置 |
| JPH07105488B2 (ja) * | 1986-03-18 | 1995-11-13 | 富士通株式会社 | 半導体装置 |
| US4845541A (en) * | 1986-05-29 | 1989-07-04 | Regents Of The University Of Minnesota | Tunneling emitter bipolar transistor |
| JPS63153867A (ja) * | 1986-08-04 | 1988-06-27 | Fujitsu Ltd | 共鳴トンネリング半導体装置 |
| KR880010509A (ko) * | 1987-02-11 | 1988-10-10 | 오레그 이. 앨버 | 전계효과 트랜지스터 |
-
1988
- 1988-12-06 JP JP63309319A patent/JP2687519B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1989
- 1989-12-05 US US07/446,423 patent/US5111265A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02154430A (ja) | 1990-06-13 |
| US5111265A (en) | 1992-05-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4683487A (en) | Heterojunction bipolar transistor | |
| JP2630445B2 (ja) | 半導体装置 | |
| US4751195A (en) | Method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor | |
| JP3792390B2 (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
| JPH03229426A (ja) | 集積回路及びその製造方法 | |
| US5041882A (en) | Heterojunction bipolar transistor | |
| US6858509B2 (en) | Bipolar transistor with upper heterojunction collector and method for making same | |
| JP2687519B2 (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
| WO2007058265A1 (ja) | バイポーラトランジスタ及びその製造方法 | |
| US5296389A (en) | Method of fabricating a heterojunction bipolar transistor | |
| US7276744B2 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
| US20060284282A1 (en) | Heterjunction bipolar transistor with tunnelling mis emitter junction | |
| US5153692A (en) | Semiconductor device | |
| JP2623655B2 (ja) | バイポーラトランジスタおよびその製造方法 | |
| JP2841380B2 (ja) | ヘテロ接合バイポーラトランジスタ | |
| JP4164775B2 (ja) | ヘテロ接合バイポーラトランジスタ及びその製造方法 | |
| US5523594A (en) | Heterojunction bipolar transistor | |
| JPH03159135A (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
| JPH0483346A (ja) | バイポーラトランジスタおよびその製造方法 | |
| JPH0737900A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| JP2800218B2 (ja) | バイポーラトランジスタ | |
| JP2518347B2 (ja) | バイポ―ラトランジスタの製造方法 | |
| JPH0618207B2 (ja) | ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法 | |
| JPH061782B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JPH0737898A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |