JP2990453B2

JP2990453B2 - 干渉効果半導体装置

Info

Publication number: JP2990453B2
Application number: JP15664091A
Authority: JP
Inventors: 誠岡田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1991-06-27
Publication date: 1999-12-13
Anticipated expiration: 2014-12-13
Also published as: JPH057005A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、１個のポイントコンタ
クトあるいはダブルポイントコンタクトから出射される
電子波等のキャリア波を反射させ、該反射キャリア波と
入射キャリア波との干渉効果を用いる干渉効果半導体装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、キャリアを注入するソース領
域と、その後段に作られたポイントコンタクトあるいは
ダブルポイントコンタクトを有するスプリットゲート電
極と、その後段に形成されキャリアを収集する単数また
は複数のドレイン領域とからなる干渉効果半導体装置が
提案されていた。

【０００３】図５は、従来のポイントコンタクト干渉効
果半導体装置の説明図である。この図において、３１は
半導体層、３２はソース領域、３３はスプリットゲート
電極、３４はポイントコンタクト、３５は第１ドレイン
領域、３６は第２ドレイン領域、３７は空乏化領域であ
る。

【０００４】この装置は、半導体層３１と、この半導体
層３１の上に、この半導体層３１とオーミック接触して
形成されたソース領域３２と、このソース領域３２の後
段に半導体層３１とショットキー接触して形成されたス
プリットゲート電極３３と、このスプリットゲート電極
３３の後段に半導体層３１とオーミック接触して形成さ
れた第１ドレイン領域３５、および、第２ドレイン電極
３６によって構成されている。

【０００５】そして、このスプリットゲート電極３３の
下には、空乏化領域３７に挟まれた１個のポイントコン
タクト３４が作られており、その幅は、ここを通過する
電子が量子化され、少ないモード数の電子波が形成され
る程度に狭く、かつ、スプリットゲート電極３３の電圧
によって制御できるようになっている。

【０００６】この装置の動作を説明すると、ソース領域
３２から半導体層３１中に電子が注入され、この電子
が、ソース領域３２と、第１ドレイン領域３５および第
２ドレイン領域３６の間に形成される加速電界によって
加速されて、スプリットゲート電極３２によって作られ
たポイントコンタクト３４を通って走行する。

【０００７】このように、電子がポイントコンタクト３
４を通過するとき量子化され、電子波が形成されるが、
スプリットゲート電極３３に印加する電圧を変えると、
ポイントコンタクト３４の幅が変化し、ここを通過する
電子波のモードが変化するため、異なるモードの電子波
間の干渉によってポイントコンタクト３４から出射され
る電子波の強度分布が変化して、第１ドレイン領域３５
または第２ドレイン領域３６に収集される電子の量、す
なわち、電流が変化することになる。

【０００８】このような動作をする干渉型半導体装置
は、ソース領域３２から注入される電流をスプリットゲ
ート電極の電圧によって第１ドレイン領域３５または第
２ドレイン領域３６間で切り換えるスイッチング装置と
して用いられる。

【０００９】図６は、ポイントコンタクトを２個有する
従来のダブルポイントコンタクト干渉効果半導体装置の
説明図である。この図において、４１は半導体層、４２
はソース領域、４３は第１スプリットゲート電極、４４
は第２スプリットゲート電極、４５は第１ポイントコン
タクト、４６は第２ポイントコンタクト、４７は第１ド
レイン領域、４８は第２ドレイン領域、４９は空乏化領
域である。

【００１０】この装置においては、半導体層４１の上
に、この半導体層４１とオーミック接触するソース領域
４２が形成され、このエミッタ領域４２の後段に、半導
体層４１とショットキー接触する第１スプリットゲート
電極４３、第２スプリットゲート電極４４が形成されて
いる。なお、この第１スプリットゲート電極４３には、
第１ポイントコンタクト４５を挟む同電位の島状部分を
有しており（この図では、第１スプリットゲート電極４
３の本体とこの島状部分がリード線によって接続されて
いるように模式的に描かれている。）、第２ポイントコ
ンタクト４６は、第２スプリットゲート電極４４と第１
スプリットゲート電極４３の島状部分との間に形成され
る。このように、第１スプリットゲート電極４３によっ
て形成された空乏化領域４９で挟まれた第１ポイントコ
ンタクト４５と、第２スプリットゲート電極４４によっ
て形成された空乏化領域４９で挟まれた第２ポイントコ
ンタクト４６の幅は、第１スプリットゲート電極４３、
第２スプリットゲート電極４４の印加電圧を変化して、
その下に形成される空乏層の厚さを変えることによって
調節することができ、ここを通過する電子が量子化さ
れ、少ないモード数の電子波が形成される程度に狭くす
ることができる。

【００１１】また、第１スプリットゲート電極４３およ
び第２スプリットゲート電極４４の後段の半導体層４１
上には、この半導体層４１とオーミック接触する第１ド
レイン領域４７と第２ドレイン領域４８が形成されてい
る。

【００１２】この干渉効果半導体装置の動作を説明する
と、ソース領域４２から半導体層４１中に電子が注入さ
れ、この電子が、エミッタ電極４２と、第１ドレイン領
域４７、第２ドレイン領域４８の間に形成される加速電
界によって加速され、第１ポイントコンタクト４５と第
２ポイントコンタクト４６を通って走行する。このよう
に、電子が第１ポイントコンタクト４５と第２ポイント
コンタクト４６を通過するとき、量子化され、それぞれ
少ないモード数の電子波として出射される。

【００１３】そして、第１スプリットゲート電極４３、
および、第２スプリットゲート電極４４に印加する電圧
を変えると、第１ポイントコンタクト４５と第２ポイン
トコンタクト４６の各々から出射される電子波のモード
が変化し、相互間の干渉状態が変化するため、電子波の
強度分布が変化して第１ドレイン領域４７または第２ド
レイン領域４８に収集される電子の数、すなわち、電流
が変化する。このような動作をする干渉型半導体装置
は、ソース領域４２から半導体層４１中に注入される電
子を、第１スプリットゲート電極４３、および、第２ス
プリットゲート電極４４に印加する電圧を変えることに
よって、第１ドレイン領域４７と第２ドレイン領域４８
の間でスイッチングするスイッチング装置として用いら
れる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来の干渉効
果半導体装置においては、単一のポイントコンタクトの
幅を制御してポイントコンタクト内の電子波のモードを
変えて、異なるモードの出射電子波間の干渉状態を変え
ることによって、出射される電子波の強度分布を変え、
あるいは、並列に配置された２つのポイントコンタクト
から出射される電子波の干渉効果を用いて、これらのポ
イントコンタクトから出射される電子波の強度分布を変
えて、ソース領域から注入される電子を第１ドレイン領
域と第２ドレイン領域の間でスイッチングすることが考
えられていた。

【００１５】しかし、既存のオーミック領域を形成する
ための加工技術に精度上の限界があり、電子波の強度分
布である個々の干渉縞に対応する程度の微小な第１ドレ
イン領域あるいは第２ドレイン領域を形成することが困
難であるため、また、第１ドレイン領域と第２ドレイン
領域の正の電位によって、本来これらのドレイン領域に
到達すべきでない電子まで吸引されるため、充分に大き
な相互コンダクタンス（第１ドレイン領域３６または第
２ドレイン領域３７の電流の変化／スプリットゲート電
極の電圧変化）を得ることが困難であった。したがっ
て、本発明は、第１ドレイン領域と第２ドレイン領域を
形成するために格別微細な半導体加工技術を用いること
なく、大きな相互コンダクタンスを有する干渉効果半導
体装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる干渉効果
半導体装置においては、半導体層に形成されたキャリア
を注入するソース領域と、該半導体層の該ソース領域の
後段に形成され、通過するキャリアを量子化するポイン
トコンタクトを作るスプリットゲート電極と、該半導体
層の該スプリットゲート電極の後段に形成され、キャリ
アを収集する単数または複数のドレイン領域と、該半導
体層の該ドレイン領域の後段に形成され、該ポイントコ
ンタクトから出射されるキャリア波を反射する機構を有
する構成を採用した。また、この場合、上記のポイント
コンタクトとして２個あるいはその以上のポイントコン
タクトを並列に配置したダブルポイントコンタクト、あ
るいは、複数ポイントコンタクトを用いることができ
る。

【００１７】

【作用】ソース領域から注入されたキャリアを、このソ
ース領域の後段に作られたポイントコンタクトを通過さ
せ、このポイントコンタクトから出射するキャリア波
を、このポイントコンタクトの後段に形成されたキャリ
ア反射機構によって反射するようにし、この反射機構と
なる空乏化領域の厚さを制御して、出射キャリア波と反
射キャリア波の間の干渉の状態を変化することによっ
て、ドレイン領域を微小化することなく、大きな相互コ
ンダクタンスを有するスイッチング装置等の干渉効果半
導体装置を得ることができる。また、この場合、ポイン
トコンタクトの幅と、反射機構の位置をともに制御する
ことによって論理回路を構成することができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。（第１実施例）図１は、第１実施例の干渉効果半導体装
置の説明図である。この図において、１は半導体層、２
はソース領域、３はスプリットゲート電極、４はポイン
トコンタクト、５は第１ドレイン領域、６は第２ドレイ
ン領域、７は反射ゲート電極、８、９は空乏化領域であ
る。

【００１９】本実施例の干渉効果半導体装置は、半導体
層１にソース領域２を形成し、その後段に１個のポイン
トコンタクト４を作るためのスプリットゲート電極３を
形成し、その後段に第１ドレイン領域５、第２ドレイン
領域６を形成した点で、図５の従来の干渉効果半導体装
置と同様であるが、第１ドレイン領域５、第２ドレイン
領域６の後段に反射ゲート電極７を形成した点で異なっ
ている。

【００２０】この干渉効果半導体装置の動作を説明する
と、ソース領域２から注入された電子は、このソース領
域２と第１ドレイン領域５、第２ドレイン領域６と間に
形成された加速電界によって加速され、スプリットゲー
ト電極３の空乏化領域８によって挟まれたポイントコン
タクト４内で量子化され、少数のモードの電子波とし
て、その後段に出射されるが、この電子波は、反射ゲー
ト電極７により形成される空乏化領域９によって反射さ
れて、再びスプリットゲート電極３のポイントコンタク
ト４に達し、ここから出射される電子波と干渉して、相
互の位相関係によって、相加わる場合と、相殺する場
合、およびそれらの間の状態を生じる。

【００２１】上記の、反射電子波と出射電子波が相加わ
る場合はその領域のコンダクタンスが大きくなり、相殺
する場合はその領域のコンダクタンスが小さくなる。し
たがって、反射ゲート電極７に印加する電圧を変化して
空乏化領域の厚さを変化すると、実効的なキャリア反射
面とポイントコンタクト４からの距離が変化することに
なり、ソース領域２と第１ドレイン領域５、あるいは、
ソース領域２と第２ドレイン領域６の間のコンダクタン
ス、観点を変えると、ソース領域２と第１ドレイン領域
５、あるいは、ソース領域２と第２ドレイン領域６の間
の電圧が変化して、高い相互コンダクタンスのスイッチ
ング動作が実現される。

【００２２】上記の動作説明は、スプリットゲート電極
３の電圧を一定にしたままで、反射ゲート電極７に印加
する電圧を変化する場合であったが、反射ゲート電極７
の電圧とともに、図５において説明した従来の干渉効果
半導体装置と同様に、スプリットゲート電極３の電圧を
変えることによって、ポイントコンタクト４の幅を変え
て、ポイントコンタクト４を出射する電子波の分布強
度、すなわち、出射方向を変化して、第１ドレイン領域
５、第２ドレイン領域６との間で出力信号の極性を適宜
選択することができ、またこの特性を利用して、スプリ
ットゲート電極３の電圧を入力Ａ、反射ゲート電極７の
電圧を入力Ｂ、第１ドレイン領域５、あるいは、第２ド
レイン領域６の出力をＣとする論理回路を構成できる。

【００２３】また、スプリットゲート電極３の電圧を変
えることによるポイントコンタクト４から出射する電子
波の分布強度を変更する効果と、出射電子波と反射電子
波の干渉効果を互いに強め合うように組合せることによ
って、トータルの相互コンダクタンスを相乗的に大きく
することができる。上記は、キャリアとして電子を用い
た例であるが、キャリアとしてホールを用いることもで
きる。

【００２４】（第２実施例）図２は、第２実施例の干渉
効果半導体装置の説明図である。この図において、１４
は半導体層、１６はソース領域、１８は第１スプリット
ゲート電極、１９は第２スプリットゲート電極、２０は
第１ポイントコンタクト、２１は第２ポイントコンタク
ト、２２、２７は空乏化領域、２３は第１ドレイン領
域、２４は第２ドレイン領域、２６は反射ゲート電極で
ある。

【００２５】この図は、半導体層１４の上にソース領域
１６を生成し、その後段に並列に配置された第１ポイン
トコンタクト２０、第２ポイントコンタクト２１からな
るダブルポイントコンタクトを生じる第１スプリットゲ
ート電極１８と第２スプリットゲート電極１９を形成
し、その後段に第１ドレイン領域２３、第２ドレイン領
域２４を形成する点で、図６の従来の干渉効果半導体装
置と同様であるが、本実施例においては、第１ドレイン
領域２３、第２ドレイン領域２４の後段に反射ゲート電
極２６が形成されている点が異なっている。

【００２６】この装置の動作を説明すると、ソース領域
１６から注入された電子は、このソース領域１６と第１
ドレイン領域２３、第２ドレイン領域２４の間に形成さ
れた加速電界によって加速され、第１スプリットゲート
電極１８と第２スプリットゲート電極１９によって作ら
れる第１ポイントコンタクト２０および第２ポイントコ
ンタクト２１を通過してその後段に出射される。

【００２７】そして、例えば第１ポイントコンタクト２
０から出射された電子波は、反射ゲート電極２６によっ
て反射されて、第１ポイントコンタクト２０あるいは第
２ポイントコンタクト２１から出射された電子波と干渉
することになる。この干渉によって、反射電子波と第１
ポイントコンタクト２０から出射された電子波が干渉し
て相加わる場合、相殺される場合、反射電子波と第２ポ
イントコンタクト２１から出射された電子波が干渉して
相加わる場合、相殺される場合を生じる。

【００２８】反射電子波と出射電子波が干渉して相加わ
る場合は、ソース領域と第１ドレイン領域２３、あるい
は、第２ドレイン領域２４の間のコンダクタンスが大き
くなり、相殺する場合はこのコンダクタンスが小さくな
る。したがって、ソース領域１６と第１ドレイン領域２
３、あるいは、第２ドレイン領域２４の間の電圧が反射
電子波と出射電子波の間の干渉状態によって変化するこ
とになる。

【００２９】第１スプリットゲート電極１８、あるい
は、第２スプリットゲート電極１９の電圧を変化して空
乏層に挟まれて作られるポイントコンタクトの幅を制御
して第１ポイントコンタクトおよび第２ポイントコンタ
クト内のエネルギー準位を変化させることができ、その
結果、各々のポイントコンタクトにおける電子波モード
を変えて、ポイントコンタクトを通過する電子波の強度
分布あるいは位相速度を変化させ、反射波と出射波の間
の干渉状態を変えることができる。

【００３０】本実施例のように電子波反射手段を設け、
第１ポイントコンタクトおよび第２ポイントコンタクト
から出射された電子波を、第１ポイントコンタクトある
いは第２ポイントコンタクトに戻し、ここで入射電子波
と干渉させることにより、トータルの相互コンダクタン
スを前記従来の干渉効果半導体装置より大きくすること
ができる。

【００３１】図３および図４は、第１実施例の干渉効果
半導体装置の構成説明図である。図３は、第２ポイント
コンタクトを通る線上の断面を示す一部切断斜視図であ
り、図４は、第１スプリットゲート電極を通る線上の断
面を示す一部切断斜視図である。

【００３２】この図において、１１は半絶縁性ＧａＡｓ
基板、１２はノンドープＧａＡｓ層、１３はノンドープ
ＡｌＧａＡｓ層、１４はＳｉドープＡｌＧａＡｓ層、１
５はＳｉドープＧａＡｓ層、１６はエミッタ電極、１７
は合金化領域、１８は第１スプリットゲート電極、２０
は第１ポイントコンタクト、２１は第２ポイントコンタ
クト、２２は空乏化領域、２３は第１ドレイン領域、２
４は第２ドレイン領域、２５は合金化領域、２６は反射
ゲート電極、２７は空乏化領域である。

【００３３】この干渉効果型半導体装置においては、半
絶縁性のＧａＡｓ基板１１上に厚さ９００Åのノンドー
プＧａＡｓ層１２、厚さ１５０ÅのノンドープＡｌＧａ
Ａｓ層１３、厚さ２００ÅのＳｉドープＡｌＧａＡｓ
（１×１０¹⁸ｃｍ^-3）層１４、厚さ３００ÅのＳｉドー
プＧａＡｓ（１×１０¹⁸ｃｍ^-3）層１５を形成する。そ
して、通常のＨＥＭＴプロセスによって素子間アイソレ
ーション、表面のパッシベーションを施し、ＡｕＧｅ／
Ａｕを合金化処理することによって、エミッタ電極１
６、第１ドレイン領域２３、第２ドレイン領域２４を、
合金領域１７、２５によってオーミック接触して形成す
る。ＨＥＭＴ構造を用いたのは、電子波が無散乱で伝播
する距離が干渉効果に寄与する部分より長いものを得る
たとである。

【００３４】また、Ａｌ等の金属をＳｉドープＡｌＧａ
Ａｓ層１４との間でショットキー接触させて、スプリッ
トゲート電極１８と反射ゲート電極２４を形成する。こ
の図で２２、２７は、スプリットゲート電極１８と反射
ゲート電極２４の下に形成された空乏化領域を示してい
る。

【００３５】なお、スプリットゲート電極１８、１９は
２層レジストと電子ビーム露光を用いて形成することが
でき、そのゲート長を０．１μｍ、スプリットゲート電
極の間隙の幅を０．３μｍ、間隙のピッチを０．５μｍ
とする。このスプリットゲート電極１８、１９を形成す
る際、反射ゲート電極２６も電子ビーム露光を用いて同
時に形成する。なお、スプリットゲート電極１８、１９
と反射ゲート電極２６の間隔は２μｍである。

【００３６】図３は第２ポイントコンタクトを通る線上
の断面を示す一部切断斜視図で、ソース領域１６の下か
ら第１ドレイン領域２３、第２ドレイン領域２４の下を
経て、反射ゲート電極の下の空乏領域の近傍まで二次元
電子ガスが形成されていることを示している。

【００３７】また、図４は、第１スプリットゲート電極
の第１ポイントコンタクトを作るために隔離した島状の
電極を通る線上の断面を示す一部切断斜視図で、この電
極の下には空乏化領域が形成されており、この部分を電
子が通過できないことを示している。

【００３８】この構成の装置において、第１スプリット
ゲート電極１８および第２スプリットゲート電極１９に
負の電圧を加えることによって空乏化領域２２の厚さを
厚くして、各スプリットゲート電極の下をピンチオフし
て、狭いダブルポイントコンタクトを作る。また、反射
ゲート電極２６に印加する電圧を変化することによっ
て、この電極の下に空乏化領域２７を形成して、電子に
とっての反射壁を形成している。この干渉効果半導体装
置で用いる電子波の波長は例えば４００Å程度であるか
ら、スプリットゲート電極の電圧を変化することによっ
て、その位相を充分に変化させることができる。

【００３９】本実施例の干渉効果半導体装置において、
第１スプリットゲート電極１８および第２スプリットゲ
ート電極１９の印加電圧を入力Ａ、反射ゲート電極２６
の印加電圧を入力Ｂ、第１ドレイン領域２３、あるい
は、第２ドレイン領域２４を出力Ｃとすることによって
論理回路装置を構成することができる。また、ポイント
コンタクトの数を３以上とし、並列接続して大電流化
し、あるいは、個別に制御して多機能化を図ることもで
きる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
ポイントコンタクトの後段に反射ゲート電極を形成する
ことによって、格別微細な半導体加工技術を用いること
なく、高速動作が可能で大きな相互コンダクタンスをも
つ干渉効果半導体装置を構成することができる。また、
この干渉効果半導体装置を用いて、スイッチング装置、
論理回路等を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の干渉効果半導体装置の説明図であ
る。

【図２】第２実施例の干渉効果半導体装置の説明図であ
る。

【図３】第１実施例の干渉効果半導体装置の構成説明図
（１）である。

【図４】第１実施例の干渉効果半導体装置の構成説明図
（２）である。

【図５】従来のポイントコンタクト干渉効果半導体装置
の説明図である。

【図６】従来のダブルポイントコンタクト干渉効果半導
体装置の説明図である。

【符号の説明】

１、１４半導体層２、１６ソース領域３スプリットゲート電極４ポイントコンタクト５、２３第１ドレイン領域６、２４第２ドレイン領域７、２６反射ゲート電極１８第１スプリットゲート電極１９第２スプリットゲート電極２０第１ポイントコンタクト２１第２ポイントコンタクト

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体層に形成されたキャリアを注入す
るソース領域と、該半導体層の該ソース領域の後段に形
成され、通過するキャリアを量子化するポイントコンタ
クトを作るスプリットゲート電極と、該半導体層の該ス
プリットゲート電極の後段に形成され、キャリアを収集
する単数または複数のドレイン領域と、該半導体層の該
ドレイン領域の後段に形成され、該ポイントコンタクト
から出射されるキャリア波を反射する機構を有すること
を特徴とする干渉効果半導体装置。
【請求項２】半導体層に形成されたキャリアを注入す
るソース領域と、該半導体層の該ソース領域の後段に形
成され、通過するキャリアを量子化する複数ポイントコ
ンタクトを作るスプリットゲート電極と、該半導体層の
該スプリットゲート電極の後段に形成され、キャリアを
収集する単数または複数のドレイン領域と、該半導体層
の該ドレイン領域の後段に形成され、該ダブルポイント
コンタクトから出射されるキャリアを反射する機構を有
することを特徴とする干渉効果半導体装置。