JP2757758B2 - 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Info
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Description
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。
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、馬場,植村らによる特開平
5−175494号公報に記載されている。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。
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上に設けられたゲート電極7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8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9とから構成されている。
ついて、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GaA
s、第3の半導体4にp+ −GaAs、第5の半導体6
にn−Al0.3 Ga0.7 As、ゲート電極7にAl、ソ
ース電極8にAuGe、ドレイン電極9にAuZnを用
いた例に説明する。
添加してあるため、第2の半導体(アンドープGaA
s)表面には変調ドープ構造により二次元電子ガスが蓄
積している。この二次元電子ガスの濃度が高く第2の半
導体表面が縮退していると、第3の半導体であるp+ −
GaAs層との間に江崎ダイオード(トンネルダイオー
ド)と同様の接合が形成される。この状態でソース・ド
レイン間に電圧を印加するとトンネル電流が流れる。二
次元電子ガスの濃度によりトンネル障壁幅が変わり、ト
ンネル電流が変調を受けるが、この二次元電子ガス濃度
はゲート電圧により制御することができるのでトランジ
スタ動作が実現される。
トランジスタでは、第5の半導体へ不純物を添加するこ
とにより、第2の半導体表面に二次元電子ガスを蓄積さ
せるため、より高濃度の電子を蓄積させるにはこの不純
物の添加量を大きくする必要がある。ところが、この不
純物の添加量には限界があり、二次元電子ガス濃度は制
限される。しかも、不純物の添加量が大きいとゲートの
絶縁性が悪くなり、ゲートリーク電流が増加する。その
ため、高電流密度動作は困難である。
させることのできるトンネルトランジスタを提供するこ
とにある。
増加させることのできる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。
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、縮退していない第2の半導体、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り、第3の
半導体上に接している部分は完全に空乏化する程度の厚
さを有する縮退した第4の半導体、この半導体層上に前
記第4の半導体よりも禁止帯幅の広い第5の半導体層、
この半導体層上のショットキー電極を有し、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
する一対の電極を有することを特徴としている。
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4の半導体と、ゲート絶縁層と
なる第5の半導体と、ゲート電極金属との積層構造を形
成する工程と、 前記積層構造を、ゲート電極形状にエッ
チングする工程と、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。
出表面上に新たに、第4の半導体を挿入することによ
り、ドレイン領域である第3の半導体と第4の半導体と
の間にバンド間トンネル接合が形成され、第4の半導体
はチャネルとして働く。メサエッチングにより第3の半
導体が接合部において先鋭化しているため、第3と第4
の半導体間の電界強度が増大し、トンネル電流が増す。
照して詳細に説明する。
る。図1において図2と同じ記号は図3と同等物で同一
機能を果たすものである。
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との積層構造を
有し、第2の半導体3の露出表面に第1の半導体と同一
の導電型を有し、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り、第3の半導体4上に接してい
る部分は完全に空乏化する程度の厚さを有する縮退した
第4の半導体5と、この半導体層上に第4の半導体より
も禁止帯幅の広い第5の半導体層6と、この半導体層上
のショットキー電極であるゲート電極7と、第1の半導
体2にオーミック接合を形成するソース電極8と、第3
の半導体4にオーミック接合を形成するドレイン電極9
とを有している。
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n+ −GaAs、第5の半導体6にア
ンドープAl0.3 Ga0.7 As、ゲート電極7にAl、
ソース電極8にAuGe、ドレイン電極9にAuZnを
用いる。
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4の半導体5
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4の半導体5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4の半導体5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4の半導体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。
は、次のようにして作製する。
装置に導入し、基板1上に分子線エピタキシャル法によ
り第1の半導体2,第2の半導体3,第3の半導体4と
して、n+ −GaAs(1×1019cm-3,300n
m)、アンドープGaAs(200nm)、p+ −Ga
As(5×1019cm-3,100nm)を基板温度52
0℃で順次成長する。
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。
再び試料をMBE装置に導入し、図5に示すように、構
造表面にチャネル層となる第4の半導体5のn+ −Ga
As(1×1019cm-3,1.2nm)、およびゲート
絶縁層となる第5の半導体6のアンドープAl0.3 Ga
0.7 As(40nm)を再成長させ、その後、ゲート電
極のAlを蒸着する。
Al0.3 Ga0.7 As/n+ −GaAs層をゲート電極
7の形状にエッチングする。
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8とする。最後にリ
フトオフによりドレイン電極であるAuZnをp+ −G
aAs上に形成し、トンネルトランジスタの作製を完了
する。
でゲート電圧に依存した負性抵抗特性を示した。得られ
たピーク電流値はゲート電圧が0.6Vのときおよそ
3.5μA/μmであった。
第4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。また、第5の半導体の代
りに第4の半導体よりも禁止帯幅の大きい絶縁層を用
い、金属/絶縁膜/半導体(MIS)構造としてもよ
い。さらに、用いる材料として、GaAs/AlGaA
s系以外にも、SiGe/Si、Ge/GaAs、In
GaAs/InAlAs、GaSb/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。
より、トンネル電流密度が増加する。従来の構造に比
べ、電流密度はおよそ100倍に増加した。
す断面模式図である。
る。
断面模式図である。
断面模式図である。
断面模式図である。
断面模式図である。
断面模式図である。
Claims (6)
- 【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
らなり、第3の半導体上に接している部分は完全に空乏
化する程度の厚さを有する縮退した第4の半導体と、前
記第4の半導体の層上に前記第4の半導体よりも禁止帯
幅の広い第5の半導体の層と、前記第5の半導体の層上
のショットキー電極と、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。 - 【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
らなり、第3の半導体上に接している部分は完全に空乏
化する程度の厚さを有する縮退した第4の半導体と、前
記第4の半導体の層上に前記第4の半導体よりも禁止帯
幅の広い材料からなる絶縁層と、前記絶縁層上のゲート
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。 - 【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n+ −GaAs、前記第5の半導体はア
ンドープAl0.3 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。 - 【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
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4の半導体
と、ゲート絶縁層となる第5の半導体と、ゲート電極金
属との積層構造を形成する工程と、 前記積層構造を、ゲート電極形状にエッチングする工程
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。 - 【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
を積層する工程と、 前記積層構造をメサエッチングする工程と、 露出したメサの側面上にチャネル層となる第4の半導体
を形成する工程と、 前記第4の半導体上に、ゲート絶縁層となる第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。 - 【請求項6】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n+ −GaAs、前記第5の半導体はア
ンドープAl0.3 Ga0.7 Asであることを特徴とする
請求項4または5記載のトンネルトランジスタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2070794A JP2757758B2 (ja) | 1994-02-18 | 1994-02-18 | トンネルトランジスタおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2070794A JP2757758B2 (ja) | 1994-02-18 | 1994-02-18 | トンネルトランジスタおよびその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07231101A JPH07231101A (ja) | 1995-08-29 |
JP2757758B2 true JP2757758B2 (ja) | 1998-05-25 |
Family
ID=12034625
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2070794A Expired - Lifetime JP2757758B2 (ja) | 1994-02-18 | 1994-02-18 | トンネルトランジスタおよびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2757758B2 (ja) |
-
1994
- 1994-02-18 JP JP2070794A patent/JP2757758B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH07231101A (ja) | 1995-08-29 |
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