JP2773474B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2773474B2
JP2773474B2 JP3196321A JP19632191A JP2773474B2 JP 2773474 B2 JP2773474 B2 JP 2773474B2 JP 3196321 A JP3196321 A JP 3196321A JP 19632191 A JP19632191 A JP 19632191A JP 2773474 B2 JP2773474 B2 JP 2773474B2
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    • 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
    • H01L29/739—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals controlled by field-effect, e.g. bipolar static induction transistors [BSIT]
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Description

【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、多
機能化が可能なトンネル現像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、本出願人による特開昭５８−
９６７６６号公報（特願昭５６−１９４９９２号）「半
導体装置」に記載されている。このトランジスタはＭＯ
ＳＦＥＴ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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このデバイスは高集積
化を可能にするが、デバイスの有する機能は増幅作用だ
けであり従来のＭＯＳＦＥＴと同じである。したがっ
て、ある機能を持つ回路を構成するには、多数のトラン
ジスタを組み合わせる必要がある。さらに集積化を進め
るためには、１つのトランジスタに機能を持たせること
が望まれる。
【０００４】本発明の目的は、従来のトンネルトランジ
スタにない機能を有するトンネルトランジスタを提供す
ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に絶縁
領域が形成され、この絶縁領域の表面に縮退していない
第２の半導体領域と、この第２の半導体領域をはさんで
その両側に一導電性を有する第１の半導体領域とこの第
１の半導体領域と反対の導電型を有し縮退した第３の半
導体領域とが形成され、少なくとも前記第２の半導体領
域の露出表面に第２の半導体領域よりも禁止帯幅が広い
材料からなる絶縁層とこの絶縁層上の電極とが形成さ
れ、前記絶縁層上の電極には、前記第２の半導体領域と
前記第１の半導体領域または前記第３の半導体領域との
間に負性抵抗を有するトンネル接合を誘起する電圧が印
加されることを特徴とする。なお、第２の半導体領域の
厚さは２０ｎｍ以下であることが好ましい。
【０００６】本発明のトンネルトランジスタは、電流−
電圧特性に微分負性抵抗が生じ、この微分負性抵抗特性
をゲート電圧で制御できるため、機能素子としての動作
が可能となる。
【０００７】
【実施例】以下、本発明について実施例を示す図面を参
照して詳細に説明する。
【０００８】図１は本発明の実施例を示す模式断面図で
ある。１は基板、２は基板１上に形成した絶縁領域、３
は一導電型を有し縮退した第１の半導体領域、４は縮退
していない第２の半導体領域、５は第１の半導体領域と
反対の導電型を有し縮退した第３の半導体領域で、第２
の半導体領域４をはさんで第１の半導体領域３の反対側
に形成する。６は第２の半導体領域４よりも禁止帯幅が
広い材料からなる絶縁層、７は絶縁層６上のゲート電
極、８は第１の半導体領域３とオーミック接合を形成す
るソース電極、９は第３の半導体領域５とオーミック接
合を形成するドレイン電極である。
【０００９】このトンネルトランジスタの動作につい
て、基板１にＳｉ基板、絶縁領域２にＳｉＯ2 、第１の
半導体領域３にｎ+ −Ｓｉ、第２の半導体領域４に厚さ
が２０ｎｍと薄いｉ−Ｓｉ、第３の半導体領域５にｐ+
−Ｓｉ、絶縁層６にＳｉＯ2 、ゲート電極７にｎ型ポリ
シリコン、ソース電極８及びドレイン電極９にＡｌを例
に説明する。ソース電極をアース電位とし、ゲート電極
には電圧を印加せず、ドレイン電極に正の電圧を印加す
ると、第１の半導体領域（ｎ+ −Ｓｉ）と第３の半導体
領域（ｐ+ −Ｓｉ）との間は非常に薄い第２の半導体領
域（ｉ−Ｓｉ）を介して順方向バイアスになる。このバ
イアス方向は逆方向バイアスに比べドレイン電流が流れ
易いが、キャリアの拡散電流が顕著とならない電圧以下
（Ｓｉで０．７Ｖ以下）にしておけば、ほとんど電流は
流れない。さて、ゲート電極に大きな正の電圧を印加す
ると、第２の半導体領域（ｉ−Ｓｉ）の電位が低下し高
濃度の電子が誘起される。その結果、この第２の半導体
領域は電子濃度が非常に大きい縮退した状態となり、等
価的なｎ+ −Ｓｉとなる。このため、第１の半導体領域
（ｎ+ −Ｓｉ）と第２の半導体領域（ｉ−Ｓｉ）は完全
な導通状態となる。一方、第２の半導体領域（ｉ−Ｓ
ｉ）と第３の半導体領域（ｐ+ −Ｓｉ）との間は江崎ダ
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。したがって、順方向バイアスが印加されたドレイ
ン・ソース間にはトンネル効果による大きなトンネル電
流が流れるようになり、電流−電圧特性には微分負性抵
抗が現れる。トンネル電流の大きさは第２の半導体領域
に誘起される電子の濃度に依存するため、この微分負性
抵抗特性はゲート電極に印加する電圧により制御される
ことになる。
【００１０】また、ゲート電極に大きな負の電圧を印加
すると第２の半導体領域には正孔が蓄積し、擬似的なｐ
+ −Ｓｉとなり、こんどは第１の半導体領域（ｎ+ −Ｓ
ｉ）との間に江崎ダイオードを形成して、同様にトンネ
ル電流が流れる。
【００１１】このように、本発明によるトンネル・トラ
ンジスタは、ゲート電極によりドレイン電流の微分負性
抵抗を制御することができ、機能素子としての動作が実
現される。
【００１２】図２に本発明によるトンネル・トランジス
タの模式的な静特性を示す。図２において、横軸はドレ
イン電圧、縦軸はドレイン電流を示し、ゲート電圧をパ
ラメータにとっている。また、図の中の挿入図は本発明
のトンネルトランジスタと直列抵抗とからなる双安定回
路を示している。本発明のトンネル・トランジスタの静
特性に交差している直線は直列に接続された抵抗の負荷
線を示している。Ｖg はゲートにかける電圧、Ｖ0 はト
ンネル電流が流れるゲート電圧、Ｖ1 およびＶ2 は双安
定回路の安定点（ドレイン電圧）を示している。この双
安定回路ではあるゲート電圧Ｖ0 で２つの安定点Ｖ1 ，
Ｖ2 が存在するが、どちらに落ち着くかはその履歴によ
る。したがって、パルス状のゲート電圧を加えて一瞬Ｖ
g ＞Ｖ0 の状態を作ると、その後の安定点はＶ1 とな
る。逆に一瞬Ｖg ＜Ｖ0 の状態を作ると、その後の安定
点はＶ2 となる。このように、本発明のトンネル・トラ
ンジスタ１つと直列抵抗１つだけで双安定回路を実現す
ることができる。
【００１３】次に製造方法について、動作の説明で用い
た材料と同一の材料を用いて説明する。
【００１４】まず、Ｓｉ基板上にＣＶＤ法により厚いＳ
ｉＯ2 膜を形成する。その上に厚さ３０ｎｍの単結晶Ｓ
ｉ薄膜をＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａ
ｔｏｒ）技術により作製する。熱酸化によりＳｉ薄膜上
に厚さ約１５ｎｍのＳｉＯ2 膜を形成する。この結果、
Ｓｉ薄膜の厚さは２０ｎｍとなる。ｎ型ポリシリコンに
よるゲート電極形成後、ソース領域に高濃度のＡｓをイ
オン注入し、縮退したｎ+ 領域を形成する。さらにドレ
イン領域に高濃度のＢをイオン注入し、縮退したＰ+ 領
域を形成する。最後にＡｌ蒸着によりソース及びドレイ
ン電極を形成する。
【００１５】本発明のトンネル・トランジスタ構造によ
り、ゲート電圧でドレイン電流の微分負性抵抗特性が制
御できる機能素子を実現することができた。
【００１６】以上の本発明の実施例では、半導体材料と
してＳｉしか示さなかったが、これらの層はＧｅ，Ｇａ
Ａｓ，ＩｎＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＡｓ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。また、これらの第１から第３の半導体領域は同種の
半導体からなるホモ接合だけではなく、異種の半導体か
らなるヘテロ接合でも良い。ここでは絶縁層および絶縁
領域としてＳｉＯ2 を用いたが、Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＡｌＮな
ど他の絶縁体や第１から第３の半導体領域よりも禁止帯
幅が広い半導体材料（例えば、Ｓｉに対してＧａＰ，Ｇ
ａＡｓに対しＡｌＧａＡｓなど）であっても良い。
【００１７】
【発明の効果】本発明の機能を有するトンネルトランジ
スタにより、少ない素子数で機能回路が実現され、超高
集積化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す構造図である。
【図２】本発明の実施例の電流−電圧特性の模式図であ
る。
【符号の説明】
１ 基板 ２ 絶縁領域 ３ 第１の半導体領域 ４ 第２の半導体領域 ５ 第３の半導体領域 ６ 絶縁層 ７ ゲート電極 ８ ソース電極 ９ ドレイン電極 Ｖg ゲートにかける電圧 Ｖo トンネル電流が流れるゲート電圧 Ｖ1 第１の安定点 Ｖ2 第２の安定点
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/338 H01L 29/778 H01L 29/812 H01L 29/88

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に絶縁領域が形成され、 この絶縁領域の表面に縮退していない第２の半導体領域
    と、この第２の半導体領域をはさんでその両側に一導電
    性を有する第１の半導体領域とこの第１の半導体領域と
    反対の導電型を有し縮退した第３の半導体領域とが形成
    され、 少なくとも前記第２の半導体領域の露出表面に第２の半
    導体領域よりも禁止帯幅が広い材料からなる絶縁層とこ
    の絶縁層上の電極とが形成され、 前 記絶縁層上の電極には、前記第２の半導体領域と前記
    第１の半導体領域または前記第３の半導体領域との間に
    負性抵抗を有するトンネル接合を誘起する電圧が印加さ
    れることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記第２の半導体領域の厚さが２０ｎｍ
    以下である請求項１記載の半導体装置。
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