JP2827595B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2827595B2
JP2827595B2 JP3196320A JP19632091A JP2827595B2 JP 2827595 B2 JP2827595 B2 JP 2827595B2 JP 3196320 A JP3196320 A JP 3196320A JP 19632091 A JP19632091 A JP 19632091A JP 2827595 B2 JP2827595 B2 JP 2827595B2
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寿夫 馬場
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は低消費電力特性を有し、
高集積化、高速動作が可能なインバーター動作を行う機
能デバイスに関するものである。
【0002】
【従来の技術】スタンバイ時の電力消費がほとんど無い
インバーター回路は高集積、低消費電力を可能にする集
積回路の基本構成回路として重要である。このようなイ
ンバーター回路としてはシリコン(Si)半導体のCM
OS(Complimentary Metal Ox
ide Semiconductor)回路である。こ
の回路はキャリアが電子のnチャンネルMOSFET
(MetalOxideSemiconductor
Field Effect Transistor)と
キャリアが正孔であるpチャンネルMOSFETとをも
って構成されている。nチャンネルMOSFETのソー
スはアース電位、pチャンネルMOSFETのソースは
正の電位、2つのドレインは1つになり出力端子、2つ
のゲート電極は入力端子にそれぞれ接触されている。こ
こで、nチャンネルMOSFETはゲート電位がソース
電位に比べて大きい時にソース・ドレイン間に電流が流
れるオン状態になり、小さいときはオフ状態になるよう
設計されている。pチャンネルMOSFETはこの逆の
特性となっている。いま、入力電位が正電位の場合には
nチャンネルMOSFETがオン状態、pチャンネルM
OSFETはオフ状態になり、トランジスタに電流は流
れず、出力端子はアース電位となる。また、入力電位が
アース電位の場合にはpチャンネルMOSFETがオン
状態、nチャンネルMOSFETはオフ状態になり、や
はりトランジスタに電流は流れず、出力端子は正電位と
なる。したがって、この回路では電流を流すことなくイ
ンバーター動作をすることになる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ここで説明した動作原
理から明らかなように、このインバーター回路は導電型
の異なる独立な2つのトランジスタを用いて構成されて
いるため、半導体基板表面上にそれぞれの領域を取る必
要があり、また素子分離のために片方のトランジスタは
基板の導電型と反対の導電型のウェルと呼ばれる領域内
に作製する必要がある。このため、この回路は多くの電
力を消費する1つのトランジスタと1つの抵抗とからな
るインバーター回路よりも基板上の占有面積を小さくす
ることができず、高密度集積が困難であった。
【0004】本発明の目的は、従来の低消費電力インバ
ーター回路の有する欠点を除去し、高密度集積を可能に
する単一素子からなるインバーター回路を提供すること
にある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、基板上の一部
に、第一導電型を有し縮退した第1の半導体と、第二
導電型を有し不純物濃度が第1の半導体から遠ざかる
につれ徐々に増加する第2の半導体と、第二導電型を
有し縮退した第3の半導体と、第一導電型を有し縮退
した第4の半導体と、第一導電型を有し不純物濃度
第4の半導体から遠ざかるにつれ徐々に減少する第5
の半導体と、第二導電型を有し縮退した第6の半導体
とが順次積層された構造であり、少なくとも前記第2
の半導体および第5の半導体の露出表面に第2およ
び第4の半導体層の半導体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を有し、前記第1の
半導体と第6の半導体および第3または第4の半導
にオーミック電極を有することを特徴とする。
【0006】
【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。
【0007】図1は本発明の実施例の層構造を示す模式
図である。図1においては1は基板、2は一導電型を有
し縮退した第1の半導体は3は該第1の半導体と反対の
導電型を有しキャリア濃度が第1の半導体から遠ざかる
につれ徐々に増加する第2の半導体、4は該第2の半導
体と同一の導電型を有し縮退した第3の半導体、5は前
記第1の半導体と同一の導電型を有し縮退した第4の半
導体、6は該4の半導体と同一の導電型を有しキャリア
濃度が第4の半導体から遠ざかるにつれ徐々に減少する
第5の半導体、7は該第5の半導体と反対の導電型を有
し縮退した第6の半導体、8は少なくとも前記第2の半
導体および第5の半導体の露出表面にこれらの半導体よ
りも禁止帯幅が広い材料からなる絶縁層、9は該絶縁層
上に設けられたゲート電極、10は前記第1の半導体と
オーミック接合を形成する第1の電極、11は第3また
は第4の半導体にオーミック接合を形成する第2の電
極、12は第6の半導体にオーミック接合を形成する第
3の電極である。
【0008】本発明の実施例の動作原理について基板1
にSi、第1の半導体2にp+ −Si、第2の半導体3
に上に行くに従いドーピング濃度が徐々に増加している
n−Si、第3の半導体4にn+ −Si、第4の半導体
5にp+ −Si、第5の半導体6に第4の半導体から離
れるに従いドーピング濃度が徐々に減少しているp−S
i、第6の半導体7にn+ −Si、絶縁膜8にSi
2 、ゲート電極9、第1の電極10、第2の電極11
および第3の電極12にAlを用いて説明する。
【0009】このデバイスは多数の半導体層からなって
いるが、同じ導電型の半導体層間は常に導通状態になっ
ている。また、第3の半導体と第4の半導体との接合は
縮退した半導体同士によるトンネル接合となっており常
に導通状態になっている。第1の電極をアース電位に
し、第3の電極を正電位Vccにしておくと、第1の半
導体と第2の半導体との間および第5の半導体と第6の
半導体との間が逆方向バイアスになり、これらの接合は
非導通状態となり第1の電極と第3の電極間には電流は
流れない。したがって第2の電極の電位は1/2Vcc
となり、第2から第6の半導体もほぼこの電位となって
いる。
【0010】さて、このようなバイアス状態でゲート電
極を正電位Vccとするとn型の第2の半導体と絶縁膜
との界面には高濃度の電子蓄積が起こり、絶縁膜との界
面の第1の半導体層と第2の半導体との間は等価的なp
+ −n+ トンネル接合を形成する。したがって、この界
面を通して第1の半導体と第3の半導体は導通状態とな
る。一方、p型の導電型を有する第5の半導体と絶縁膜
との界面にはほとんど電子の蓄積(n反転)は起こらな
い。第5の半導体は不純物濃度が徐々に変化しているの
で第5の半導体中の第6の半導体に近い低濃度の部分が
たとえn反転してもそれに隣接して十分な幅で空乏層が
生じておりトンネル接合は形成されず、第4及び第5の
半導体と第6の半導体間は非導通状態を保持する。この
結果、第2の電極は第1の電極の電位と同じアース電位
となる。
【0011】反対に、ゲート電極をアース電位にすると
p型の導電型を有する第5の半導体と絶縁膜との界面に
は高濃度の正孔蓄積が起こり、絶縁膜との界面の第6の
半導体層と第5の半導体との間は等価的なn+ −p+
ンネル接合を形成する。したがって、この界面を通して
第4の半導体と第6の半導体は導通状態となる。一方、
n型の導電型を有する第2の半導体と絶縁膜との界面に
はほとんど正孔の蓄積(p反転)は起こらない。第2の
半導体は不純物濃度が徐々に変化しているので第2の半
導体中の第1の半導体に近い低濃度の部分がたとえp反
転してもそれに隣接して第2の半導体中に十分な幅で空
乏層が生じておりトンネル接合は形成されず、第1の半
導体と第2及び第3の半導体間は非導通状態を保持す
る。この結果、第2の電極は第3の電極の電位と同じ正
電位となる。
【0012】これらの結果から、このデバイスではゲー
ト電極に印加する電位と反対の電位が第2の電極に生じ
ることになり、インバーター動作を行っていることがわ
かる。また、かならずどこか1つの半導体層間は逆バイ
アスになって非導通状態になっているため、第1の電極
と第3の電極間には電流は流れない。したがって、低消
費電力であることがわかる。
【0013】次に本発明によるデバイスの製造方法の一
例について説明する。まず、結晶成長法に分子線エピタ
キシー(MBE、Molecular BeamEpi
taxy)を用い、Si基板上に厚さ200nmのp+
−Si(不純物濃度p=7x101 9 cm- 3 )、10
0nmのn−Si(基板側から積層方向に向かって不純
物濃度がn=1x101 8 →7x101 9 cm- 3 と増
加する)、20nmのn+ −Si(n=7x101 9
- 3 )、20nmのp+ −Si(p=7x101 9
- 3 )、100nmのp−Si(基板側から積層方向
に向かって不純物濃度がp=7x101 9 →1x10
1 8 cm- 3 と減少する)、30nmのn+ −Si(n
=7x101 9 cm- 3 )を順次成長する。次にリソグ
ラフィとエッチングにより第1の半導体であるn+ −S
iの一部を露出させ、この露出部を熱酸化して絶縁膜で
あるSiO2 (厚さ6nm)を形成する。最後に、それ
ぞれの電極を形成するために第1の半導体、第4の半導
体、第6の半導体の一部を露出させた後、Alを蒸着す
る。これにより、高集積化を可能にする単一素子からな
る低消費電力のインバーター回路が実現できた。
【0014】以上の本発明の実施例では、第1の半導体
としてp型の伝導型を有するものについて示したが、反
対の伝導型であるn型の半導体を用いてもよいことは明
らかであり、この場合には全部の半導体層の伝導型を反
対にし、バイアス電圧も反対にすればよい。また、図1
ではゲート電極形成部が垂直断面のものしか示さなかっ
たが、ここがメサ構造あるいは逆メサ構造であってもか
まわない。材料としては、第1から第6の半導体として
Siしか示さなかったが、これらの層はGaAs、G
e、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かである。ま
た、第1から第6の半導体間の接合は1種類の半導体か
らなるホモ接合だけでなく、異種の半導体どうしからな
るヘテロ接合でも良い。さらに、ここでは絶縁層として
SiO2 を用いたが,Si3 4 など他の絶縁体やAl
GaAs、AlInAs、AlGaSb、GaPなど第
1から第6の半導体よりも禁止帯幅の広い半導体であっ
ても良いことは明かである。
【0015】
【発明の効果】本発明により単一素子からなる低消費電
力のインバーター回路を実現することができ、高密度集
積が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示概略断面図である。
【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 絶縁膜 9 ゲート電極 10 第1の電極 11 第2の電極 12 第3の電極

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上の一部に、第一導電型を有し縮退
    した第1の半導体と、第二導電型を有し不純物濃度が
    第1の半導体から遠ざかるにつれ徐々に増加する第2
    の半導体と、第二導電型を有し縮退した第3の半導体
    と、第一導電型を有し縮退した第4の半導体と、
    導電型を有し不純物濃度が第4の半導体から遠ざか
    るにつれ徐々に減少する第5の半導体と、第二導電型
    を有し縮退した第6の半導体とが順次積層された構造
    であり、 少なくとも前記第2の半導体および第5の半導体
    露出表面に第2および第4の半導体層の半導体よりも禁
    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
    を有し、前記第1の半導体と第6の半導体および第
    3または第4の半導体にオーミック電極を有すること
    を特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 第1の半導体層ないし第6の半導体層の
    積層面がほぼ垂直に露出された面に絶縁層が形成され、
    この絶縁層上にゲート電極が形成され、前記第1の半導
    体層、前記第4の半導体層、前記第6の半導体層の別の
    露出面にオーミック電極が形成された請求項1記載の半
    導体装置。
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JPS51128271A (en) * 1975-04-30 1976-11-09 Fujitsu Ltd Semiconductor unit
CN1007478B (zh) * 1985-11-12 1990-04-04 得克萨斯仪器公司 垂直倒相器电路

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