JP2765607B2 - Tunnel effect type semiconductor device - Google Patents

Tunnel effect type semiconductor device

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JP2765607B2
JP2765607B2 JP22132492A JP22132492A JP2765607B2 JP 2765607 B2 JP2765607 B2 JP 2765607B2 JP 22132492 A JP22132492 A JP 22132492A JP 22132492 A JP22132492 A JP 22132492A JP 2765607 B2 JP2765607 B2 JP 2765607B2
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gaas
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悌二 山本
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【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、トンネルダイオードな
ど、横方向のp−n接合によるトンネル効果を有するト
ンネル効果型半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a tunnel effect type semiconductor device such as a tunnel diode having a tunnel effect by a lateral pn junction.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、導電性半導体基板上に、種々のド
ーパンドを用いてGaAs、AlGaAs、Si又はG
eを例えば分子線エピタキシャル法などの結晶成長法に
より、その結晶の成長方向、すなわち半導体基板に対し
て垂直方向(縦方向)にp−n接合を形成して、いわゆ
るエサキダイオードと呼ばれるトンネルダイオードを作
製してきた。
2. Description of the Related Art Conventionally, GaAs, AlGaAs, Si or G is formed on a conductive semiconductor substrate by using various dopants.
By forming a pn junction in the crystal growth direction, for example, a direction perpendicular to the semiconductor substrate (longitudinal direction) by a crystal growth method such as a molecular beam epitaxial method, a tunnel diode called a so-called Esaki diode is formed. I have made it.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】トンネルダイオードで
は、実際制御できるトンネル電流を大きくすることが重
要である。当該トンネル電流は、一般にトンネル確率と
キャリア供給関数との積で与えられる。従来の高濃度ド
ープされたn型とp型のバルク材料同士の接合では、ポ
テンシャルエネルギーが急峻に変化し、空乏層幅は電子
がトンネルできる程度の厚さ(例えば100Å未満)に
まで薄くなるため、トンネル確率は大きくなる。しかし
ながら、バルク材料であるため、電子又は正孔のキャリ
アの状態密度関数からみて、単位エネルギー当たりの状
態数は低く、高濃度ドープされた伝導帯から価電子帯へ
のトンネルに寄与できる電子数(すなわち供給関数)は
少なく、トンネル電流密度は小さい。従って、大電流増
幅を行うことができず、大電力を得ることができないと
いう問題点があった。
In a tunnel diode, it is important to increase a tunnel current that can be actually controlled. The tunnel current is generally given by a product of a tunnel probability and a carrier supply function. In the conventional junction between the heavily doped n-type and p-type bulk materials, the potential energy changes sharply, and the depletion layer width becomes thin enough to allow electrons to tunnel (for example, less than 100 °). , The tunnel probability increases. However, since it is a bulk material, the number of states per unit energy is low from the state density function of the carriers of electrons or holes, and the number of electrons that can contribute to the tunnel from the highly doped conduction band to the valence band ( That is, the supply function) is small, and the tunnel current density is small. Therefore, there has been a problem that large current amplification cannot be performed and large power cannot be obtained.

【0004】また、電子及び正孔のエネルギーに対する
状態数の分布が比較的広いため負の微分抵抗は小さく、
これによって、数十ピコ秒以下の高速のスイッチング特
性を得ることができないという問題点があった。
Further, since the distribution of the number of states with respect to the energy of electrons and holes is relatively wide, the negative differential resistance is small,
As a result, there is a problem that high-speed switching characteristics of several tens of picoseconds or less cannot be obtained.

【0005】さらに、従来のトンネルダイオードは電流
を流す向きが縦方向のデバイスであるため、横方向(水
平方向)の電流を駆動させるデバイスである、MOS、
MESFET、HEMT等の高周波デバイスと、同一の
半絶縁性半導体基板上で形成することができないという
問題点があった。
Further, since the conventional tunnel diode is a device in which a current flows in a vertical direction, a device for driving a current in a horizontal direction (horizontal direction) is used.
There has been a problem that high-frequency devices such as MESFETs and HEMTs cannot be formed on the same semi-insulating semiconductor substrate.

【0006】本発明の目的は以上の問題点を解決し、大
電流増幅を行い高出力を得ることができるとともに、従
来に比較してより高速のスイッチング特性を得ることが
でき、しかも半絶縁性半導体基板上で形成することがで
きるトンネル効果型半導体装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, to obtain a high output by performing a large current amplification, and to obtain a faster switching characteristic than a conventional one, and to obtain a semi-insulating property. An object of the present invention is to provide a tunnel effect type semiconductor device which can be formed on a semiconductor substrate.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明に係るトンネル効
果型半導体装置は、平坦部間に斜面部が形成されるよう
に段差を形成した半絶縁性化合物半導体基板上に、結晶
成長法によって電子の状態密度が増大するように、活性
層となるプレーナドープ層、変調ドーピング層、多重量
子井戸層、又は半導体超格子型井戸層として両性不純物
をドープした化合物半導体層を形成し、その上に化合物
半導体にてなるコンタクト層と電極とを形成することに
よって、上記段差によって形成される上記活性層の平坦
部と斜面部との間に於いて伝導型の違いで横方向p−n
接合を形成しかつ上記横方向のp−n接合においてトン
ネル効果を出現させることを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION A tunnel effect type semiconductor device according to the present invention is characterized in that an electron is grown by a crystal growth method on a semi-insulating compound semiconductor substrate having a step formed so that a slope is formed between flat portions. A compound semiconductor layer doped with an amphoteric impurity as a planar doped layer, a modulation doping layer, a multiple quantum well layer, or a semiconductor superlattice type well layer is formed so that the state density of the compound increases. By forming a contact layer and an electrode made of a semiconductor, a lateral direction p-n is formed between a flat portion and a slope portion of the active layer formed by the step due to a difference in conduction type.
It is characterized in that a junction is formed and a tunnel effect appears in the lateral pn junction.

【0008】[0008]

【作用】以上のように構成された半導体装置において、
本発明者は、より狭い領域に、不純物濃度が極めて低く
高純度であってかつ所定値以上の比較的高いドープ量の
両性不純物をドープさせて電子の状態密度を増大させる
ことができ、これによって、以下に説明するように本発
明に係る半導体装置において、トンネル効果を出現させ
ることができることを発見した。
In the semiconductor device configured as described above,
The present inventor can increase the density of states of electrons by doping a narrower region with an amphoteric impurity having a very low impurity concentration, a high purity, and a relatively high doping amount equal to or more than a predetermined value. As described below, it has been found that a tunnel effect can be caused in the semiconductor device according to the present invention.

【0009】上述の構成を有する半導体装置において、
上記横方向p−n接合に順方向電圧を印加することによ
って、上記p−n接合に順方向電流が流れるとき、上記
p−n接合の部分で伝導帯のサブバンドから、価電子帯
のサブバンドへ電子がトンネリングし、p−n接合間に
トンネル電流が流れ、その電流電圧特性は、負の微分抵
抗をもつ。
In the semiconductor device having the above configuration,
By applying a forward voltage to the lateral pn junction, when a forward current flows through the pn junction, the conduction band sub-band is shifted from the conduction band sub-band to the valence band sub-band at the pn junction. Electrons are tunneled into the band, and a tunnel current flows between the pn junctions, and the current-voltage characteristic has a negative differential resistance.

【0010】一般に、上記p−n整合部分に流れる電子
の数はキャリアの状態数のエネルギー分布に依存し、そ
のキャリアの状態数のエネルギー分布関数はキャリアの
状態密度関数とフェルミ分布関数の積で表される。
Generally, the number of electrons flowing in the pn matching portion depends on the energy distribution of the number of states of the carrier, and the energy distribution function of the number of states of the carrier is a product of the density of states of the carrier and the Fermi distribution function. expressed.

【0011】従来例で用いられるバルク半導体と、本発
明で用いられる活性層であるプレーナドープ層、変調ド
ーピング層、多重量子井戸層、半導体超格子型井戸層な
どの量子構造との大きな違いは、詳細後述するように、
状態密度関数が互いに異なることである。バルク半導体
の状態密度関数は電子のエネルギーの平方根に比例する
放物線関数である。一方、1次元方向の閉じ込められた
構造、例えばプレーナドープ層、変調ドープ構造の三角
ポテンシャル井戸層や多重量子井戸層、または半導体超
格子型井戸層などのキャリアの状態密度関数はステップ
関数又は擬似ステップ関数になる。ここで、例えば量子
細線などの2次元方向の閉じ込めでは、状態密度は電子
のエネルギーの平方根に反比例する。例えば量子箱など
の3次元方向の閉じ込めではδ関数になり、正孔及び電
子の状態数はエネルギーに対して無限大又は0になる。
フェルミ準位を状態密度関数が0である最高のエネルギ
ー位置におくとき、1次元方向に閉じ込められた構造の
状態数はバルク半導体の10倍以上となり、2次元量子
井戸の量子細線では100倍以上となる。従って、単位
エネルギー当たりのキャリアの状態数は状態密度関数に
大きく依存することになる。
The major difference between the bulk semiconductor used in the conventional example and the quantum structure such as the planar doped layer, the modulation doping layer, the multiple quantum well layer and the semiconductor superlattice type well layer which are the active layers used in the present invention is as follows. As detailed below,
That is, the density of states functions are different from each other. The density of states function of a bulk semiconductor is a parabolic function proportional to the square root of the electron energy. On the other hand, the density of states of carriers in a one-dimensional confined structure such as a triangular potential well layer, a multiple quantum well layer, or a semiconductor superlattice type well layer having a planar doping layer, a modulation doping structure, is a step function or a pseudo step. Function. Here, in confinement in a two-dimensional direction such as a quantum wire, the density of states is inversely proportional to the square root of the energy of electrons. For example, confinement in a three-dimensional direction such as a quantum box becomes a δ function, and the number of states of holes and electrons becomes infinite or zero with respect to energy.
When the Fermi level is placed at the highest energy position where the density of states function is 0, the number of states of the structure confined in the one-dimensional direction is 10 times or more that of the bulk semiconductor, and 100 times or more for the quantum wires of the two-dimensional quantum well Becomes Therefore, the number of carrier states per unit energy greatly depends on the state density function.

【0012】従来例の多くの光電子デバイスにおいて用
いられているp−n接合は、上述のように、バルク半導
体の状態密度関数を有するp型及びn型の伝導型を示す
材料同士の接合であるため、上述のようにキャリアの状
態数が低いという問題点があった。
As described above, a pn junction used in many conventional optoelectronic devices is a junction between p-type and n-type conductivity type materials having a state density function of a bulk semiconductor. Therefore, there is a problem that the number of carrier states is low as described above.

【0013】一方、本発明に係るトンネル効果型半導体
装置の構成では上記量子構造を用いて横方向のp−n接
合を実現するので、従来のバルク半導体よりもはるかに
多いキャリアの状態数を有し、かつp型及びn型の伝導
型を有する材料の接合を実現できることになる。このこ
とは、従来のp−n接合型デバイスの電気的特性を飛躍
的に向上させることができるという利点を有している。
本発明に係る装置では、高濃度にドープされたp型及び
n型の接合部分に現れるトンネル効果をデバイスに応用
したエサキダイオードの電気的特性を大幅に改善するこ
とができる。
On the other hand, in the configuration of the tunnel effect type semiconductor device according to the present invention, since the lateral pn junction is realized by using the above quantum structure, the number of carrier states is much larger than that of the conventional bulk semiconductor. In addition, bonding of materials having p-type and n-type conductivity can be realized. This has the advantage that the electrical characteristics of a conventional pn junction device can be dramatically improved.
In the device according to the present invention, the electrical characteristics of an Esaki diode in which the tunnel effect appearing at the heavily doped p-type and n-type junctions is applied to the device can be greatly improved.

【0014】上述したように、サブバンド又はミニバン
ドにおけるp−n接合を介してトンネリングする電子の
数は大幅に増加し、従来のバルク半導体でのトンネル現
象に比較して大きなトンネル電流密度を得ることがで
き、大電流駆動高出力デバイスを実現できる。また、逆
にトンネリングする電子数を増大した分だけトンネル確
率を減少させてもよく、電子のサブバンドと正孔のサブ
バンドとの間のエネルギー差である実効的なバンドギャ
ップを増大させることができる。すなわち、バンドギャ
ップを増大させることによって、拡散電流を低減させる
ことができ、これによってトンネルダイオードの電気的
性能特性の1つであるピーク/バレー比率を高めること
ができる。また、エネルギーに対する電子と正孔の状態
数の分布が狭くなるため、順方向印加電圧のわずかな変
化でトンネル電流が大きく変化し、従って、大きな負の
微分抵抗を得ることができる。
As described above, the number of electrons tunneling through the pn junction in the sub-band or mini-band is greatly increased, and a large tunnel current density is obtained as compared with the tunnel phenomenon in the conventional bulk semiconductor. Thus, a high-current driven high-output device can be realized. Conversely, the tunnel probability may be reduced by increasing the number of electrons to be tunneled, and increasing the effective band gap, which is the energy difference between the electron sub-band and the hole sub-band. it can. That is, by increasing the band gap, the diffusion current can be reduced, thereby increasing the peak / valley ratio, which is one of the electrical performance characteristics of the tunnel diode. Further, since the distribution of the number of states of electrons and holes with respect to energy becomes narrow, a slight change in the forward applied voltage causes a large change in the tunnel current, so that a large negative differential resistance can be obtained.

【0015】一方、従来例のバルク半導体を用いたトン
ネルダイオードは動作電圧が比較的低い。トンネル電流
の最大を示す印加電圧値は、一般にキャリアの状態数の
最大エネルギー位置で決定される。従来例のバルク半導
体と本発明において用いる量子構造では、上述したよう
に、状態関数が大きく異なる。サブバンドやミニバンド
でのp−n接合を用いたエサキダイオードでは、キャリ
アの状態関数が実質的にステップ関数又はδ関数になっ
ているために、トンネル電流の最大を示す順方向電圧は
従来例のバルク半導体の場合よりも高い傾向を示す。こ
れは、大電力が得られるという意味で、デバイス設計や
集積化において有利である。
On the other hand, a conventional tunnel diode using a bulk semiconductor has a relatively low operating voltage. The applied voltage value indicating the maximum of the tunnel current is generally determined by the maximum energy position of the number of states of the carriers. As described above, the state functions of the conventional bulk semiconductor and the quantum structure used in the present invention are significantly different. In an Esaki diode using a pn junction in a sub-band or mini-band, the forward voltage indicating the maximum tunnel current is lower than that of a conventional example because the carrier state function is substantially a step function or a δ function. Tend to be higher than that of the bulk semiconductor. This is advantageous in device design and integration in that large power can be obtained.

【0016】また、p−n接合部上面に形成したゲート
電極に制御電圧を印加することによって、p型領域もし
くは、n型領域の正孔及び電子のエネルギーポテンシャ
ルを変化させる。それにより、電子のトンネル確率及び
供給関数を変化させ、トンネル電流を電圧制御法で高速
に変調する例えばトンネルトランジスタなどのトンネル
効果型半導体装置を実現することができる。
Also, by applying a control voltage to the gate electrode formed on the upper surface of the pn junction, the energy potential of holes and electrons in the p-type region or the n-type region is changed. This makes it possible to realize a tunnel effect type semiconductor device such as a tunnel transistor which changes the tunnel probability and supply function of electrons and modulates the tunnel current at a high speed by the voltage control method.

【0017】[0017]

【実施例】以下、図面を参照して本発明による実施例に
ついて説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0018】<第1の実施例>図1は、本発明による第
1の実施例であるプレーナドープ構造を有する横方向p
−n接合型トンネルダイオードの構造を示す縦断面図で
ある。
<First Embodiment> FIG. 1 shows a first embodiment of a lateral p-type transistor having a planar doped structure according to the present invention.
It is a longitudinal section showing the structure of a -n junction type tunnel diode.

【0019】この第1の実施例のプレーナドープ構造型
トンネルダイオードは、平坦部1a,1b間に斜面部1
cが形成されるように段差を形成した半絶縁性GaAs
基板1上に、不純物濃度が1014cm-3未満である高純
度のGaAs層2を成長させ、そして当該成長を中断さ
せドーピングだけを施して厚さ100Å未満、好ましく
は50Å未満のプレーナドープ層3を形成した後、さら
に不純物濃度が1014cm-3未満である高純度のGaAs
層4a,4b,4cを形成し、最後にSiをドープした
GaAsコンタクト層5a,5b,5cを成長し、その
斜面部5c及び下部平坦部5bにわたりn型オーミック
電極7を形成し、その平坦部5aにはp型オーミック電
極6を形成することによって、当該段差における横方向
のp−n接合を形成しかつ当該p−n接合部においてト
ンネル効果を出現させることを特徴としている。
In the tunnel diode of the planar doped structure according to the first embodiment, the slope portion 1 is located between the flat portions 1a and 1b.
semi-insulating GaAs with steps formed so that c is formed
On the substrate 1, the GaAs layer 2 of high purity, which is an impurity concentration less than 10 14 cm -3 is grown, and the less growth is interrupted doping only subjected to thickness 100 Å, preferably planar doped layer of less than 50Å after 3 was formed, high-purity GaAs of even less than an impurity concentration of 10 14 cm -3
The layers 4a, 4b and 4c are formed, and finally the GaAs contact layers 5a, 5b and 5c doped with Si are grown, and the n-type ohmic electrode 7 is formed over the slope 5c and the lower flat 5b. 5a is characterized in that a p-type ohmic electrode 6 is formed, thereby forming a lateral pn junction at the step and causing a tunnel effect at the pn junction.

【0020】図1に示すように、半絶縁性のGaAs基
板1の上面である(111)A面に対して面方位(31
1)Aを有する斜面部1cが形成されるようにウエット
エッチング法によって段差加工を行い、これによって当
該斜面部1cの両側に面方位(111)Aを有する平坦
部1a,1bが形成される。両性不純物であるSiは、
結晶成長条件と基板面方位によりアクセプタにもドナー
にもなる。そこで、段差を有するGaAs基板1に分子
線エピタキシャル法により、Siドーパントが(11
1)A面の平坦部でアクセプタになりかつ、面方位(3
11)Aの斜面部でドナーとなる成長条件で、不純物濃
度が1014cm-3である高純度のGaAs層2を厚さ5
000Åだけ成長させ、そして当該成長を中断し、Si
のみをドープ量5×1012cm-2でドーピングを施して
厚さ100Å未満、好ましくは50Å未満のプレーナド
ープ層3を形成した後、さらに分子線エピタキシャル法
により不純物濃度が1014cm-3未満である高純度の厚
さ1000ÅのGaAs層4a,4b,4cを形成し、
最後に分子線エピタキシャル法によりSiをドープした
200ÅのGaAsコンタクト層5a,5b,5cを成
長させた。
As shown in FIG. 1, the (111) A plane which is the upper surface of the semi-insulating GaAs substrate 1 has a plane orientation (31).
1) Step processing is performed by a wet etching method so as to form the slope portion 1c having A, whereby flat portions 1a and 1b having a plane orientation (111) A are formed on both sides of the slope portion 1c. Si, which is an amphoteric impurity,
It can be both an acceptor and a donor depending on the crystal growth conditions and the plane orientation of the substrate. Therefore, the Si dopant is added to the GaAs substrate 1 having the step by the molecular beam epitaxy method.
1) A flat portion of the A surface becomes an acceptor and the plane orientation (3
11) A high-purity GaAs layer 2 having an impurity concentration of 10 14 cm −3 having a thickness of 5
2,000 and then interrupt the growth, Si
After doping only with a doping amount of 5 × 10 12 cm −2 to form a planar doped layer 3 having a thickness of less than 100 °, preferably less than 50 °, the impurity concentration is further reduced by a molecular beam epitaxy method to less than 10 14 cm −3. GaAs layers 4a, 4b, 4c with high purity and a thickness of 1000 °
Finally, 200 ° GaAs contact layers 5a, 5b, 5c doped with Si were grown by molecular beam epitaxy.

【0021】最後に、フォトリソグラフィー法と真空蒸
着法を用いて、p型GaAsコンタクト層の平坦部5a
上に、Zu/Ni/Auにてなるp型オーミック電極6
を形成するとともに、n型GaAsコンタクト層の斜面
5c上から下部平坦面5bにかけてAuGe/Ni/A
uにてなるn型オーミック電極7を形成して電極の合金
化を行った。次いで、オーミック電極6,7間のコンタ
クトGaAs層5a,5bの一部をエッチングで除去
し、図1のダイオード素子のデバイスを得た。そして、
直流電源50を順方向でオーミック電極6,7間に接続
し、順方向に所定の電圧を印加することによって、図2
に示すような印加電圧対電流特性を得ることができる。
図2から明らかなように、トンネル電流を得ることがで
きるとともに、トンネルダイオード特有の負の微分抵抗
を有することがわかる。
Finally, the flat portion 5a of the p-type GaAs contact layer is formed by photolithography and vacuum evaporation.
On top, a p-type ohmic electrode 6 made of Zu / Ni / Au
Is formed, and AuGe / Ni / A is formed from the slope 5c of the n-type GaAs contact layer to the lower flat surface 5b.
An n-type ohmic electrode 7 made of u was formed and alloyed. Next, a part of the contact GaAs layers 5a and 5b between the ohmic electrodes 6 and 7 was removed by etching to obtain the diode device shown in FIG. And
A DC power supply 50 is connected between the ohmic electrodes 6 and 7 in the forward direction, and a predetermined voltage is applied in the forward direction.
The applied voltage-current characteristics shown in FIG.
As is clear from FIG. 2, it is possible to obtain a tunnel current and to have a negative differential resistance unique to the tunnel diode.

【0022】両性不純物であるSiは、結晶成長条件と
基板面方位によりアクセプタにもドナーにもなる。これ
よりSiドーパントが面方位(111)Aの平坦部では
アクセプタになりかつ面方位(311)Aの斜面ではド
ナーとなるという成長条件で行うと、平坦部のプレーナ
ドープ層3の三角ポテンシャル井戸には正孔ガスが蓄積
し、斜面部のプレーナドープ層3の三角ポテンシャル井
戸には、電子が蓄積する。よって、平坦部のプレーナド
ープ層3と斜面部のプレーナドープ層3との間で横方向
p−n接合が形成される。
Si, which is an amphoteric impurity, becomes both an acceptor and a donor depending on crystal growth conditions and substrate plane orientation. From this, when the growth conditions are such that the Si dopant becomes an acceptor in the flat portion of the plane orientation (111) A and becomes a donor in the slope of the plane orientation (311) A, the triangular potential well of the planar doped layer 3 in the flat portion becomes The hole gas accumulates, and electrons accumulate in the triangular potential well of the planar doped layer 3 on the slope. Therefore, a lateral pn junction is formed between the planar doped layer 3 in the flat portion and the planar doped layer 3 in the inclined portion.

【0023】本実施例のダイオードでは、Siのみをド
ープ量5×1012cm-2でドーピングだけを施して厚さ
100Å未満のプレーナドープ層3を形成したので、厚
さ100Å未満という極薄い領域にキャリアが閉じ込め
られているため、量子効果が生じ、キャリアの供給関
数、すなわち単位エネルギー当たりの電子の状態密度
は、従来例のバルク半導体の時よりも増加している。こ
のためトンネル確率がバルク半導体のときとたとえ同じ
でも、トンネル電流密度は増加する。従って、従来例に
比較して大電流で駆動可能な電流駆動特性及び高出力特
性を有するトンネルダイオードが得られる。
In the diode of this embodiment, since only the Si is doped at a doping amount of 5 × 10 12 cm −2 to form the planar doped layer 3 having a thickness of less than 100 °, an extremely thin region having a thickness of less than 100 ° is formed. Since the carriers are confined in the semiconductor, a quantum effect occurs, and the carrier supply function, that is, the state density of electrons per unit energy is increased as compared with the conventional bulk semiconductor. Therefore, even if the tunnel probability is the same as that of the bulk semiconductor, the tunnel current density increases. Therefore, a tunnel diode having current driving characteristics and high output characteristics that can be driven with a large current as compared with the conventional example can be obtained.

【0024】<第2の実施例>図3は、本発明による第
2の実施例である変調ドープ構造を有する横方向p−n
接合型トンネルトランジスタの構造を示す縦断面図であ
る。
<Second Embodiment> FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a structure of a junction type tunnel transistor.

【0025】この第2の実施例の変調ドープ構造型トン
ネルトランジスタは、平坦部10a,10b間に斜面部
10cが形成されるように段差を形成した半絶縁性Ga
As基板10上に、不純物濃度が1014cm-3未満の高
純度のGaAsにてなるキャリア蓄積層11a,11
b,11cを形成し、次いで、ドープされないAl0.3G
a0.7Asにてなるスペーサ層17a,17b,17cを
形成し、さらに、SiをドープしたAl0.3Ga0.7As
にてなるキャリア供給層12a,12b,12cを形成
した後、GaAsコンタクト層13a,13b,13c
を成長し、その斜面部13c及び下部平坦部13bにわ
たりn型オーミック電極16を形成し、その平坦部13
aにはp型オーミック電極15を形成し、そして、キャ
リア供給層12a,12c間に位置するp−n接合上面
にゲート電極14を形成することを特徴としている。こ
れによって、当該段差において横方向のp−n接合を形
成しかつ当該p−n接合においてトンネル効果を出現さ
せる。
The modulation-doped structure type tunnel transistor of the second embodiment has a semi-insulating Ga with a step formed so that a slope 10c is formed between the flat portions 10a and 10b.
On the As substrate 10, carrier accumulation layers 11a and 11 made of high-purity GaAs having an impurity concentration of less than 10 14 cm −3.
b, 11c to form, then undoped Al 0. 3 G
a 0. 7 comprising at As spacer layer 17a, to form 17b, a 17c, further, Al doped with Si 0. 3 Ga 0. 7 As
After the carrier supply layers 12a, 12b, and 12c are formed, the GaAs contact layers 13a, 13b, and 13c are formed.
And an n-type ohmic electrode 16 is formed over the slope portion 13c and the lower flat portion 13b.
a is characterized in that a p-type ohmic electrode 15 is formed, and a gate electrode 14 is formed on the upper surface of a pn junction located between the carrier supply layers 12a and 12c. Thereby, a lateral pn junction is formed at the step and a tunnel effect appears at the pn junction.

【0026】図3に示すように、半絶縁性のGaAs基
板10の上面である(111)A面に対して面方位(3
11)Aを有する斜面10cが形成されるようにウェッ
トエッチング法によって段差加工を行い、これによって
当該斜面部10cの両側に面方位(111)Aを有する
平坦部10a,10bが形成される。次いで、段差を有
するGaAs基板10に、分子線エピタキシャル法によ
り不純物濃度が1014cm-3未満の高純度のGaAsに
てなるキャリア蓄積層11a,11b,11cを厚さ5
000Åだけ成長させ、次いで、分子線エピタキシャル
法によりドープされないAl0.3Ga0.7Asにてなるス
ペーサ層17a,17b,17cを厚さ60Åだけ成長
させ、そして分子線エピタキシャル法によりSiを3×
1018cm-3以上1×1019cm-3未満のドープ量でド
ープしたAl0.3Ga0.7Asを用いて厚さ1000Åの
キャリア供給層12a,12b,12cを形成し、最後
に分子線エピタキシャル法によりSiを5×1018cm
-3以上1×1019cm-3未満のドープ量でドープしたG
aAsを用いて厚さ200Åのコンタクト層13a,1
3b,13cを成長させた。以上のように形成されたキ
ャリア蓄積層11a,11b,11cと、スペーサ層1
7a,17b,17cと、キャリア供給層12a,12
b,12cとでいわゆる変調ドープ層を構成している。
As shown in FIG. 3, the (111) A plane, which is the upper surface of the semi-insulating GaAs substrate 10, has a plane orientation of (3).
11) Step processing is performed by a wet etching method so as to form the slope 10c having A, whereby flat portions 10a and 10b having a plane orientation (111) A are formed on both sides of the slope 10c. Then, the GaAs substrate 10 having a step, a carrier accumulation layer 11a in which the impurity concentration is in a high-purity GaAs less than 10 14 cm -3, 11b, and 11c thickness by molecular beam epitaxy of 5
000Å only grown, then, Al 0 undoped by molecular beam epitaxy. 3 Ga 0. Made at 7 As spacer layer 17a, 17b, 17c was only grown to a thickness of 60 Å, and the Si molecular beam epitaxy 3 ×
10 18 cm -3 or more 1 × Al 0 doped with doping amount of less than 10 19 cm -3. 3 Ga 0 . 7 carrier supply layer 12a having a thickness of 1000Å with As, 12b, 12c is formed at the end 5 × 10 18 cm of Si by molecular beam epitaxy
Doped G doped amount of less than -3 1 × 10 19 cm -3
contact layer 13a, 1 having a thickness of 200.degree.
3b and 13c were grown. The carrier accumulation layers 11a, 11b, 11c formed as described above and the spacer layer 1
7a, 17b, 17c and carrier supply layers 12a, 12
b and 12c constitute a so-called modulation doped layer.

【0027】最後に、フォトリソグラフィー法と真空蒸
着法を用いて、p型GaAsコンタクト層の平坦部13
a上に、Zu/Ni/Auにてなるp型オーミック電極
15を形成するとともに、n型GaAsコンタクト層の
斜面13c上から下部平坦面13bにかけてAuGe/
Ni/Auにてなるn型オーミック電極16を形成して
電極の合金化を行った。次いで、オーミック電極15,
16間のコンタクト層13a,13cの一部をウエット
エッチングで除去し、キャリア供給層12a,12c間
に位置するp−n接合上にAu/Tiからなるゲート電
極14をフォトリソグラフィーと真空蒸着法で形成し、
図3のトランジスタのデバイスを得た。そして、直流電
源52をオーミック電極15,16間に接続して順方向
電圧を印加するとともに、別の直流電源51をゲート電
極14とn型オーミック電極16との間に接続すること
によって、p型オーミック電極15に対して順方向電圧
を印加しかつ、n型オーミック電極16に対して逆方向
電圧を印加する。
Finally, the flat portion 13 of the p-type GaAs contact layer is formed by photolithography and vacuum evaporation.
a, a p-type ohmic electrode 15 made of Zu / Ni / Au is formed, and the AuGe / n-type GaAs contact layer is formed from the slope 13c to the lower flat surface 13b.
An n-type ohmic electrode 16 made of Ni / Au was formed, and the electrode was alloyed. Next, ohmic electrodes 15,
A part of the contact layers 13a and 13c between the layers 16 is removed by wet etching, and a gate electrode 14 made of Au / Ti is formed on the pn junction located between the carrier supply layers 12a and 12c by photolithography and vacuum evaporation. Forming
The device of the transistor of FIG. 3 was obtained. By connecting a DC power supply 52 between the ohmic electrodes 15 and 16 to apply a forward voltage and connecting another DC power supply 51 between the gate electrode 14 and the n-type ohmic electrode 16, the p-type A forward voltage is applied to the ohmic electrode 15 and a reverse voltage is applied to the n-type ohmic electrode 16.

【0028】以上のように構成されたトランジスタにお
いて、Siドーパントを面方位(111)Aの平坦部で
はアクセプタになりかつ、面方位(311)A斜面では
ドナーとなる成長条件で行うと、平坦部のスペーサ層1
7aとキャリア蓄積層11aとの界面には正孔ガスが蓄
積する一方、斜面部のスペーサ層17cとキャリア蓄積
層11cとの間の界面には、電子ガスが蓄積する。これ
によって、変調ドープ層内のスペーサ層の平坦部17a
と斜面部17cの間で横方向p−n接合が形成される。
In the transistor configured as described above, when the Si dopant is used under the growth conditions of being an acceptor in the flat portion of the (111) A plane orientation and being a donor on the (311) A slope, the flat portion is obtained. Spacer layer 1
The hole gas accumulates at the interface between the carrier accumulation layer 11a and 7a, while the electron gas accumulates at the interface between the spacer layer 17c and the carrier accumulation layer 11c on the slope. Thereby, the flat portion 17a of the spacer layer in the modulation doping layer is formed.
A lateral pn junction is formed between the gate and the slope 17c.

【0029】当該トランジスタにおいては、キャリア供
給層12a乃至12cにおいてSiをドープ量3×10
18cm-3以上の極めて高いドープ量でドープしかつ結晶
成長温度を低くすることでp−n接合界面のエネルギー
レベルを急峻に変化させることができ、これによって、
トンネル効果を得ることができる。
In the transistor, the carrier supply layers 12a to 12c are doped with Si at a doping amount of 3 × 10
By doping with an extremely high doping amount of 18 cm -3 or more and lowering the crystal growth temperature, the energy level at the pn junction interface can be changed sharply, whereby
A tunnel effect can be obtained.

【0030】一般に、トンネル電流はトンネル確率関数
と、キャリアの供給関数すなわち単位エネルギー当たり
の電子の状態密度の積で表される。トンネル確率は、実
効的なバンドギャップや、電界、有効質量に依存し、電
子の状態密度関数は量子井戸構造により決められる。こ
のため、これらの物理量を変化させることでトンネル電
流を変化させることができる。本実施例のトランジスタ
においては、p−n接合上部に形成したゲート電極14
に印加する直流電圧を変化して電界を制御する電界制御
法を用いて、上記変調ドープ層内の量子構造を当該電界
により歪ませ、量子準位の位置を変化させる。それによ
って、キャリアの供給関数が変化し、トンネル電流が変
化する。すなわち、トンネル効果によってp−n接合を
流れるトンネル電流をゲート電極14に印加する電圧で
変調することができる。
Generally, a tunnel current is represented by a product of a tunnel probability function and a carrier supply function, that is, a density of states of electrons per unit energy. The tunnel probability depends on the effective band gap, electric field, and effective mass, and the electron density of states function is determined by the quantum well structure. Therefore, the tunnel current can be changed by changing these physical quantities. In the transistor of this embodiment, the gate electrode 14 formed above the pn junction
The quantum structure in the modulation doped layer is distorted by the electric field to change the position of the quantum level, using an electric field control method of controlling an electric field by changing a DC voltage applied to the substrate. As a result, the carrier supply function changes, and the tunnel current changes. That is, the tunnel current flowing through the pn junction can be modulated by the voltage applied to the gate electrode 14 by the tunnel effect.

【0031】本実施例のトンネルトランジスタは、第1
の実施例と同様に、大電流増幅を行うことができて大電
力が得られるとともに、従来例に比較して大きな負の微
分抵抗を得ることができるので、高速のスイッチング特
性を得ることができる。
The tunnel transistor of the present embodiment has a first
As in the embodiment of the present invention, a large current can be amplified, a large power can be obtained, and a large negative differential resistance can be obtained as compared with the conventional example, so that a high-speed switching characteristic can be obtained. .

【0032】<第3の実施例>図4は、本発明による第
3の実施例である本発明に係る第3の実施例である多重
量子井戸構造を有する横方向p−n接合型トンネルトラ
ンジスタの構造を示す縦断面図である。
<Third Embodiment> FIG. 4 shows a lateral pn junction type tunnel transistor having a multiple quantum well structure according to a third embodiment of the present invention, which is a third embodiment of the present invention. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of.

【0033】この第3の実施例の多重量子井戸構造型ト
ンネルトランジスタは、平坦部20a,20b間に斜面
部20cが形成されるように段差を形成した半絶縁性G
aAs基板20上に、ドープしないGaAs層21を形
成し、Al0.4Ga0.6As層22を形成した後、1周期
の井戸層30がSiをドープしたGaAs層31とその
上に形成されるドープしないAl0.3Ga0.7As層32
とからなる15周期の多重量子井戸層23a,23b,
23cを形成し、さらに、SiをドープしないAl0.4
Ga0.6As障壁層24を形成した後、Siをドープし
たGaAsコンタクト層25a,25b,25cを成長
し、その斜面部25c及び下部平坦部25bにわたりp
型オーミック電極28を形成し、その平坦部25aには
n型オーミック電極27を形成し、そして、障壁層24
のp−n接合上面にゲート電極26を形成することを特
徴としている。これによって、当該段差において横方向
のp−n接合を形成しかつ当該p−n接合においてトン
ネル効果を出現させる。
The multiple quantum well structure type tunnel transistor of the third embodiment has a semi-insulating G in which a step is formed so that a slope 20c is formed between the flat portions 20a and 20b.
After an undoped GaAs layer 21 is formed on an aAs substrate 20 and an Al 0.4 Ga 0.6 As layer 22 is formed, a one-period well layer 30 is formed on a GaAs layer 31 doped with Si and an undoped layer formed thereon. Al 0.3 Ga 0.7 As layer 32
15-period multiple quantum well layers 23a, 23b,
23c, and further, Al 0.4 not doped with Si
After the Ga 0.6 As barrier layer 24 is formed, GaAs contact layers 25a, 25b, 25c doped with Si are grown, and the p-type GaAs contact layers 25a, 25b, 25c are formed over the slope 25c and the lower flat portion 25b.
An ohmic electrode 28 is formed, an n-type ohmic electrode 27 is formed on the flat portion 25a, and a barrier layer 24 is formed.
The gate electrode 26 is formed on the upper surface of the pn junction. Thereby, a lateral pn junction is formed at the step and a tunnel effect appears at the pn junction.

【0034】図4に示すように、半絶縁性のGaAs基
板20の上面である(100)面に対して面方位(31
1)Aを有する斜面部20cが形成されるようにウェッ
トエッチング法によって段差加工を行い、これによって
当該斜面部20cの両側に面方位(100)を有する平
坦部20a,20bが形成される。次いで、段差を有す
るGaAs基板20に分子線エピタキシャル法により不
純物濃度が1014cm-3未満の高純度のGaAs層を厚
さ2000Åだけ成長させた後、ドープしないAl0.4
Ga0.6As層22を形成する。次いで、1周期の井戸
層30が、Siをドープ量5×1018cm-3以上1×1
19cm-3未満でドープした厚さ30ÅのGaAs層3
1と、その上に形成されるドープしない厚さ200Åの
Al0.3Ga0.7As層32とからなる15周期の多重量
子井戸層23a,23b,23cを形成する。次いで、
分子線エピタキシャル法によりドープしないAl0.4
0.6As障壁層24を厚さ1000Åだけ成長し、最
後に分子線エピタキシャル法でSiをドープしたGaA
sコンタクト層25a,25b,25cを厚さ200Å
だけ成長させた。
As shown in FIG. 4, the plane orientation (31) is relative to the (100) plane which is the upper surface of the semi-insulating GaAs substrate 20.
1) Step processing is performed by a wet etching method so as to form the slope portion 20c having A, whereby flat portions 20a and 20b having a plane orientation (100) are formed on both sides of the slope portion 20c. Then, Al 0.4 after the impurity concentration is grown by a thickness 2000Å high purity GaAs layer of less than 10 14 cm -3 by molecular beam epitaxy on GaAs substrate 20, which is not doped with a step
A Ga 0.6 As layer 22 is formed. Next, one cycle of the well layer 30 is doped with Si at a dose of 5 × 10 18 cm −3 or more and 1 × 1
GaAs layer 3 doped at less than 0 19 cm -3 and having a thickness of 30 °
A 15-period multi-quantum well layer 23a, 23b, 23c composed of a 1 and an undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer 32 having a thickness of 200 ° formed thereon is formed. Then
Al 0.4 G not doped by molecular beam epitaxy
a 0.6 As barrier layer 24 is grown to a thickness of 1000 ° and finally GaAs doped with Si by molecular beam epitaxy.
s Contact layers 25a, 25b, 25c have a thickness of 200
Only grown.

【0035】最後に、フォトリソグラフィー法と真空蒸
着法を用いて、p型GaAsコンタクト層25cの斜面
部から平坦部25bにわたりそれぞれ、Zu/Ni/A
uにてなるp型オーミック電極28を形成するととも
に、n型GaAsコンタクト層の上部平坦面25a上に
AuGe/Ni/Auにてなるn型オーミック電極27
を形成して電極の合金化を行った。次いで、オーミック
電極27,28間のGaAsコンタクト層25a,25
cの一部をエッチングで除去し、障壁層24上のp−n
接合上にAu/Tiからなるゲート電極26をフォトリ
ソグラフィー法と真空蒸着法で形成し、図4のトランジ
スタのデバイスを得た。そして、直流電源52をオーミ
ック電極27,28間に接続して逆方向電圧を印加する
とともに、別の直流電源51をゲート電極26とp型オ
ーミック電極28との間に接続することによって、n型
オーミック電極27に対して逆方向電圧を印加しかつ、
p型オーミック電極28に対して順方向電圧を印加す
る。なお、これらの電圧印加方向はそれぞれ共に逆にし
てもよい。
Finally, by using photolithography and vacuum deposition, Zu / Ni / A is formed from the slope to the flat portion 25b of the p-type GaAs contact layer 25c.
In addition to forming a p-type ohmic electrode 28 made of u, an n-type ohmic electrode 27 made of AuGe / Ni / Au is formed on the upper flat surface 25a of the n-type GaAs contact layer.
Was formed and the electrodes were alloyed. Next, the GaAs contact layers 25a, 25 between the ohmic electrodes 27, 28
c is partially removed by etching, and p-n on the barrier layer 24 is removed.
A gate electrode 26 made of Au / Ti was formed on the junction by photolithography and vacuum deposition to obtain the transistor device shown in FIG. Then, a DC power supply 52 is connected between the ohmic electrodes 27 and 28 to apply a reverse voltage, and another DC power supply 51 is connected between the gate electrode 26 and the p-type ohmic electrode 28, so that the n-type Applying a reverse voltage to the ohmic electrode 27, and
A forward voltage is applied to the p-type ohmic electrode 28. Note that these voltage application directions may be reversed.

【0036】以上のように構成された第3の実施例のト
ランジスタにおいては、AlGaAs障壁層24と、そ
の直下に位置するAlGaAs層32とGaAs層31
において、両性不純物であるSiは(100)の平坦部
ではドナーになり、(311)A斜面部ではアクセプタ
となるという結晶成長条件で行うことで、図5に示すよ
うに、多重量子井戸層の平坦部23bには電子60が蓄
積され、その斜面部23cには正孔70が蓄積する。こ
れによって、多重量子井戸層の平坦部23aと斜面部2
3cとによって平坦部23bと斜面部23cの間で横方
向p−n接合が形成される。
In the transistor of the third embodiment configured as described above, the AlGaAs barrier layer 24, the AlGaAs layer 32 and the GaAs layer 31 located immediately below the AlGaAs barrier layer 24.
In this case, Si, which is an amphoteric impurity, becomes a donor in the flat portion of (100) and becomes an acceptor in the (311) A slope portion, thereby performing the crystal growth condition, as shown in FIG. The electrons 60 are accumulated in the flat portion 23b, and the holes 70 are accumulated in the slope portion 23c. Thereby, the flat part 23a and the slope part 2 of the multiple quantum well layer are formed.
3c forms a lateral pn junction between the flat portion 23b and the slope portion 23c.

【0037】当該トランジスタにおいては、多重量子井
戸層23a乃至23cにおいてSiをドープ量5×10
18cm-3以上の極めて高いドープ量でドープしかつ結晶
成長温度を低くすることでp−n接合界面のエネルギー
レベルを急峻に変化させることができ、これによって、
トンネル効果を得ることができる。
In the transistor, in the multiple quantum well layers 23a to 23c, the doping amount of Si is 5 × 10
By doping with an extremely high doping amount of 18 cm -3 or more and lowering the crystal growth temperature, the energy level at the pn junction interface can be changed sharply, whereby
A tunnel effect can be obtained.

【0038】多重量子井戸層では公知の通り、サブバン
ドが形成されており、この伝導帯側のサブバンドと価電
子側のサブバンドでトンネル電流が流れる。当該多重量
子井戸層に所定の直流電圧が印加されると、井戸の形状
がゆがんで、サブバンドのエネルギー準位が変化し、実
効的なバンドギャップが減少する。トンネル確率は、実
効的なバンドギャップや、電界、有効質量に依存するた
め、サブバンドの変化により実効的なバンドギャップを
減少させることでトンネル確率を変化させることができ
る。本実施例のトランジスタにおいては、p−n接合上
部に形成したゲート電極26に印加する直流電圧を変化
して電界を制御する電界制御法を用いて、上記量子井戸
の形状を変化させ、量子準位の位置を変化させる。それ
によって、キャリアの供給関数が変化し、トンネル電流
が変化する。すなわち、トンネル効果によってp−n接
合を流れるトンネル電流をゲート電極26に印加する電
圧で変調することができる。
As is known, subbands are formed in the multiple quantum well layer, and a tunnel current flows in the conduction band side subband and the valence electron side subband. When a predetermined DC voltage is applied to the multiple quantum well layer, the shape of the well is distorted, the energy level of the sub-band changes, and the effective band gap decreases. Since the tunnel probability depends on the effective band gap, the electric field, and the effective mass, the tunnel probability can be changed by reducing the effective band gap by changing the subband. In the transistor according to the present embodiment, the shape of the quantum well is changed by using an electric field control method in which an electric field is controlled by changing a DC voltage applied to the gate electrode 26 formed above the p-n junction. Change the position of the place. As a result, the carrier supply function changes, and the tunnel current changes. That is, the tunnel current flowing through the pn junction can be modulated by the voltage applied to the gate electrode 26 by the tunnel effect.

【0039】本実施例のトンネルトランジスタは、第1
と第2の実施例と同様に、大電流増幅を行うことがで
き、大電力を得られるとともに、従来例に比較して大き
な負の微分抵抗を得ることができるので、高速のスイッ
チング特性を得ることができる。
The tunnel transistor of this embodiment has a first
Similarly to the second embodiment, a large current can be amplified, a large power can be obtained, and a large negative differential resistance can be obtained as compared with the conventional example, so that high-speed switching characteristics can be obtained. be able to.

【0040】以上の第3の実施例において、1周期の多
重量子井戸層30内の層32としてAl0.3Ga0.7As
を用いているが、本発明はこれに限らず、AlAsを用
いてもよい。
In the third embodiment, Al 0.3 Ga 0.7 As is used as the layer 32 in the one-period multiple quantum well layer 30.
However, the present invention is not limited to this, and AlAs may be used.

【0041】以上の第3の実施例において、多重量子井
戸層23a,23b,23cを形成しているが、本発明
はこれに限らず、これに代えて、以下のように、半導体
超格子型井戸層を形成してもよい。この場合においても
第3の実施例と同様の作用が得られる。すなわち、ドー
プされない厚さ6ÅのAlAs層を形成し、次いで、S
iをドープ量5×1018cm-3でドープしたGaAsを
用いて全体の厚さ30Åの200周期の半導体超格子型
井戸層を形成し、分子線エピタキシャル法でドーピング
しない厚さ1000ÅのAl0.5Ga0.5As層を成長さ
せる。当該GaAs/AlAs半導体超格子構造の場
合、量子効果により、ミニバンドが形成される。両性不
純物であるSiは面方位(100)の平坦部ではドナー
になりやすく、平坦部のGaAs井戸層には電子が蓄積
する一方、斜面部ではSiはアクセプタになりやすいた
め、GaAs井戸層には正孔が蓄積する。ちょうど平坦
部と斜面部の横方向でp型とn型のミニバンドでの接合
が形成される。
In the above third embodiment, the multiple quantum well layers 23a, 23b and 23c are formed. However, the present invention is not limited to this, and the semiconductor superlattice type A well layer may be formed. In this case, the same operation as in the third embodiment can be obtained. That is, an undoped AlAs layer having a thickness of 6 ° is formed.
A 200-period semiconductor superlattice-type well layer with a total thickness of 30 ° is formed using GaAs doped with i at a doping amount of 5 × 10 18 cm −3 , and an Al 0.5 with a thickness of 1000 ° which is not doped by molecular beam epitaxy. A Ga 0.5 As layer is grown. In the case of the GaAs / AlAs semiconductor superlattice structure, a mini band is formed by a quantum effect. Si, which is an amphoteric impurity, tends to be a donor in a flat portion having a plane orientation of (100) and electrons are accumulated in the GaAs well layer in the flat portion. On the other hand, Si tends to be an acceptor in a slope portion. Holes accumulate. A junction with p-type and n-type minibands is formed just in the horizontal direction of the flat part and the slope part.

【0042】以上の実施例において、GaAs層及びA
lGaAs層を分子線エピタキシャル法で成長させてい
るが、本発明はこれに限らず、有機金属化学的気相成長
法又は液相成長法などのその他の結晶成長法で形成して
もよい。
In the above embodiment, the GaAs layer and the A
Although the lGaAs layer is grown by molecular beam epitaxy, the present invention is not limited to this, and may be formed by other crystal growth methods such as metal organic chemical vapor deposition or liquid phase growth.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るトンネ
ル効果型半導体装置によれば、平坦部間に斜面部が形成
されるように段差を形成した半絶縁性化合物半導体基板
上に、結晶成長法によって電子の状態密度が増大するよ
うに、活性層となるプレーナドープ層、変調ドーピング
層、多重量子井戸層、又は半導体超格子型井戸層として
両性不純物をドープした化合物半導体層を形成し、その
上に化合物半導体にてなるコンタクト層と電極とを形成
することによって、上記段差によって形成される上記活
性層の平坦部と斜面部との間に於いて伝導型の違いで横
方向p−n接合を形成しかつ上記横方向のp−n接合に
おいてトンネル効果を出現させている。従って、以下の
ような特有の利点を有する。
As described above in detail, according to the tunnel effect type semiconductor device of the present invention, a crystal is formed on a semi-insulating compound semiconductor substrate having a step formed such that a slope is formed between flat portions. Forming a compound semiconductor layer doped with an amphoteric impurity as a planar dope layer, a modulation doping layer, a multiple quantum well layer, or a semiconductor superlattice type well layer so as to increase the density of states of electrons by the growth method, By forming a contact layer made of a compound semiconductor and an electrode thereon, the lateral direction pn between the flat portion and the slope portion of the active layer formed by the step due to the difference in conduction type. A junction is formed and a tunnel effect appears at the lateral pn junction. Therefore, it has the following specific advantages.

【0044】(a)電子の状態密度が増大するように活
性層が形成されているので、従来例に比較して電子の数
を増大させ、トンネル電流密度を増大させることができ
るので、大電流増幅を行うことができる。 (b)また、電子の状態密度が増大するように活性層が
形成されているので、エネルギーに対する電子及び正孔
の状態数の分布が狭くなり、順方向の印加電圧のわずか
な変化でトンネル電流が大きく変化するので、従来例に
比較して大きな負の微分抵抗を得ることができる。従っ
て、従来に比較して高速のスイッチング特性を得ること
ができる。 (c)本発明に係る半導体装置を半絶縁性半導体基板上
で形成することができるので、MOS、HESFET、
又はHEMTなどと同時に形成することができる。
(A) Since the active layer is formed so as to increase the state density of electrons, the number of electrons can be increased and the tunnel current density can be increased as compared with the conventional example. Amplification can be performed. (B) Further, since the active layer is formed so as to increase the density of states of electrons, the distribution of the number of states of electrons and holes with respect to energy is narrowed, and the tunnel current is slightly changed by the applied voltage in the forward direction. Greatly changes, so that a large negative differential resistance can be obtained as compared with the conventional example. Therefore, it is possible to obtain high-speed switching characteristics as compared with the related art. (C) Since the semiconductor device according to the present invention can be formed on a semi-insulating semiconductor substrate, MOS, HESFET,
Alternatively, it can be formed simultaneously with HEMT or the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係る第1の実施例であるプレーナド
ープ構造を有する横方向p−n接合型トンネルダイオー
ドの構造を示す縦断面図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a structure of a lateral pn junction type tunnel diode having a planar doped structure according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 図1のトンネルダイオードの印加電圧に対す
る電流特性を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing current characteristics with respect to an applied voltage of the tunnel diode of FIG.

【図3】 本発明に係る第2の実施例である変調ドープ
構造を有する横方向p−n接合型トンネルトランジスタ
の構造を示す縦断面図である。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a structure of a lateral pn junction type tunnel transistor having a modulation doping structure according to a second embodiment of the present invention.

【図4】 本発明に係る第3の実施例である多重量子井
戸構造を有する横方向p−n接合型トンネルトランジス
タの構造を示す縦断面図である。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing the structure of a lateral pn junction type tunnel transistor having a multiple quantum well structure according to a third embodiment of the present invention.

【図5】 図4のトンネルトランジスタの動作を説明す
るための各層のエネルギー準位図である。
5 is an energy level diagram of each layer for explaining the operation of the tunnel transistor of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…半絶縁性GaAs基板、1a,1b…GaAs基板
の平坦部、1c…GaAs基板の斜面部、2…GaAs
層、3…プレーナドープ層、4a,4b,4c…GaA
s層、5a,5b,5c…GaAsコンタクト層、6…
p型オーミック電極、7…n型オーミック電極、10…
半絶縁性GaAs基板、10a,10b…GaAs基板
の平坦部、10c…GaAs基板の斜面部、11a,1
1b,11c…キャリア蓄積層、17a,17b,17
c…スペーサ層、13a,13b,13c…コンタクト
層14…ゲート電極、15…p型オーミック電極、16
…n型オーミック電極、20…半絶縁性GaAs基板、
20a,20b…GaAs基板の平坦部、20c…Ga
As基板の斜面部、21…GaAs層、22…Al0.4
Ga0.6As層、23a,23b,23c…多重量子井
戸層、24…Al0.4Ga0.6As障壁層、25a,25
b,25c…GaAsコンタクト層、26…ゲート電
極、27…n型オーミック電極、28…p型オーミック
電極、50,51,52…直流電源。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semi-insulating GaAs substrate, 1a, 1b ... Flat part of GaAs substrate, 1c ... Slope part of GaAs substrate, 2 ... GaAs
Layers, 3 ... planar doped layers, 4a, 4b, 4c ... GaAs
s layer, 5a, 5b, 5c ... GaAs contact layer, 6 ...
p-type ohmic electrode, 7 ... n-type ohmic electrode, 10 ...
Semi-insulating GaAs substrate, 10a, 10b ... flat portion of GaAs substrate, 10c ... sloped portion of GaAs substrate, 11a, 1
1b, 11c: carrier accumulation layer, 17a, 17b, 17
c: spacer layer, 13a, 13b, 13c: contact layer 14: gate electrode, 15: p-type ohmic electrode, 16
... n-type ohmic electrode, 20 ... semi-insulating GaAs substrate,
20a, 20b: flat portion of GaAs substrate, 20c: Ga
Slope of As substrate, 21: GaAs layer, 22: Al 0.4
Ga 0.6 As layer, 23a, 23b, 23c: multiple quantum well layer, 24: Al 0.4 Ga 0.6 As barrier layer, 25a, 25
b, 25c: GaAs contact layer, 26: gate electrode, 27: n-type ohmic electrode, 28: p-type ohmic electrode, 50, 51, 52: DC power supply.

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−15687(JP,A) D.L.MILLER,”LATER AL P−N JUNCTION FO RMATION IN GAAS MO LECULAR BEAM EPITA XY BY CRYSTAL PLAN E DEPENDENT DOPIN G”,APPL.PHYS.LETT. 47(12),1985年12月15日,P.1309− 1311 稲井誠、山本悌二、藤井元忠、武部敏 彦、小林規矩男,”EFFECT OF GA ADATOM NIGRATI ON ON ELECTRICAL C HARACTERISTICS OF LATERAL P−N INTERF ACES GROWN ON (111) A GAAS NONPLANAR S UBSTRATES”,19TH INT ERNATIONAL SYMPOSI UM ON GALLIUM ARSE NIDE AND RELATED C OMPOUNDS ABSTRACT S,第19回ガリウムひ素化合物半導体国 際シンポジウム組織委員会,1992年6月 29日,P.57 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/88 H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 29/68Continuation of front page (56) References JP-A-2-15687 (JP, A) L. MILLER, "Later AL P-N JUNCTION FORMATION IN GAAS MO LECULAR BEAM EPITA XY BY BY CRYSTAL PLAN E DEPENDENT DOPING G", APPL. PHYS. LETT. 47 (12), December 15, 1985, p. 1309- 1311 Makoto Inai, Teiji Yamamoto, Mototada Fujii, Toshihiko Takebe, Norio Kobayashi, "EFFECT OF GA ADATOM NIGRATION ON ELECTRICAL C CHARACTERISTICS OF LATERAL P-N INTERNAL ACCESS LOGON GLOBAL SON GOVERN SON GOVERN SON GOVERN SON GALLON SON GOVERN SON GOVERN SON GOVERN SON GOVERNAL 19TH INT ERNATIONAL SYMPOSI UM ON GALLIUM ARSE NIDE AND RELATED C OMPOUNDS ABSTRACT S, 19th Organizing Committee of Gallium Arsenide Compound Semiconductor International Symposium, June 29, 1992, p. 57 (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 29/88 H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 29/68

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 平坦部間に斜面部が形成されるように段
差を形成した半絶縁性化合物半導体基板上に、結晶成長
法によって電子の状態密度が増大するように、活性層と
なるプレーナドープ層、変調ドーピング層、多重量子井
戸層、又は半導体超格子型井戸層として両性不純物をド
ープした化合物半導体層を形成し、その上に化合物半導
体にてなるコンタクト層と電極とを形成することによっ
て、上記段差によって形成される上記活性層の平坦部と
斜面部との間に於いて伝導型の違いで横方向p−n接合
を形成しかつ上記横方向のp−n接合においてトンネル
効果を出現させることを特徴とするトンネル効果型半導
体装置。
An active layer is formed on a semi-insulating compound semiconductor substrate on which a step is formed so that a slope is formed between flat portions, so that a state density of electrons is increased by a crystal growth method. By forming a compound semiconductor layer doped with amphoteric impurities as a layer, a modulation doping layer, a multiple quantum well layer, or a semiconductor superlattice type well layer, and forming a contact layer and an electrode made of a compound semiconductor thereon, A lateral pn junction is formed between a flat portion and a slope portion of the active layer formed by the step due to a difference in conduction type, and a tunnel effect appears at the lateral pn junction. A tunnel effect type semiconductor device characterized by the above-mentioned.
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稲井誠、山本悌二、藤井元忠、武部敏彦、小林規矩男,"EFFECT OF GA ADATOM NIGRATION ON ELECTRICAL CHARACTERISTICS OF LATERAL P−N INTERFACES GROWN ON (111)A GAAS NONPLANAR SUBSTRATES",19TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON GALLIUM ARSENIDE AND RELATED COMPOUNDS ABSTRACTS,第19回ガリウムひ素化合物半導体国際シンポジウム組織委員会,1992年6月29日,P.57

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