JP3003214B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3003214B2
JP3003214B2 JP2338490A JP33849090A JP3003214B2 JP 3003214 B2 JP3003214 B2 JP 3003214B2 JP 2338490 A JP2338490 A JP 2338490A JP 33849090 A JP33849090 A JP 33849090A JP 3003214 B2 JP3003214 B2 JP 3003214B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体装置に関し、特に、真空マイクロ
エレクトロニクスによるトランジスタに適用して好適な
ものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and in particular, is suitably applied to a transistor using vacuum microelectronics.

〔発明の概要〕[Summary of the Invention]

この発明は、エミッタから放出された電子を真空中で
走行させてアノードに到達させ、アノードへの電子の到
達をゲート電極により制御するようにした半導体装置に
おいて、エミッタ及びアノードを半導体から成る互いに
対向する一対の突出部により形成し、ゲート電極をエミ
ッタ及びアノードの間を結ぶ方向に直交するように延在
して形成するとともに、ゲート電極を幅広の第1の領域
とこれより幅狭の第2の領域とにより形成し、この第2
の領域をエミッタ及びアノードの間を結ぶ直線に近接し
て形成することによって、高速動作が可能でしかも相互
コンダクタンスが大きい真空マイクロエレクトロニクス
によるトランジスタを実現することができるようにした
ものである。
The present invention is directed to a semiconductor device in which electrons emitted from an emitter travel in a vacuum to reach an anode, and the arrival of electrons at the anode is controlled by a gate electrode. The gate electrode is formed so as to extend perpendicular to the direction connecting the emitter and the anode, and the gate electrode is formed to have a wide first region and a narrower second region. And the second region
Is formed close to a straight line connecting the emitter and the anode, thereby realizing a vacuum microelectronic transistor capable of high-speed operation and having a large mutual conductance.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体中で電子を走行させる半導体装置は、半導体中
での電子の移動度の上限により、高速化には限界があ
る。そこで、近年、電子を真空中で走行させる真空マイ
クロエレクトロニクスが注目され、研究が活発に行われ
ている。
The speed of a semiconductor device in which electrons travel in a semiconductor is limited by the upper limit of electron mobility in the semiconductor. Therefore, in recent years, vacuum microelectronics that allow electrons to travel in a vacuum have attracted attention, and research has been actively conducted.

真空マイクロエレクトロニクスによるトランジスタと
して、第12図に示すようなものが試作されている。第12
図に示すように、このトランジスタにおいては、導電性
のシリコン(Si)基板101上に円錐状のエミッタ102が形
成され、このエミッタ102の周囲のSi基板101上に絶縁膜
103が形成されている。そして、この絶縁膜103上に、ゲ
ート電極104及びアノード105が形成されている。
A prototype transistor as shown in FIG. 12 has been manufactured as a transistor using vacuum microelectronics. Twelfth
As shown in the figure, in this transistor, a conical emitter 102 is formed on a conductive silicon (Si) substrate 101, and an insulating film is formed on the Si substrate 101 around the emitter 102.
103 is formed. Then, a gate electrode 104 and an anode 105 are formed on the insulating film 103.

この第12図に示すトランジスタは、エミッタ102の先
端から放出された電子を真空中で走行させてアノード10
5に到達させ、このアノード105への電子の到達をゲート
電極104により制御することによって、トランジスタ動
作を行わせるものである。
In the transistor shown in FIG. 12, electrons emitted from the tip of the
5, and the transistor operation is performed by controlling the arrival of the electrons to the anode 105 by the gate electrode 104.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上述の従来の真空マイクロエレクトロニクスによるト
ランジスタにおいて、エミッタ102から放出された電子
をアノード105に到達させるためには、電子の運動方向
を第12図中矢印で示すように大きく変える必要がある。
このため、電子をあまり加速することができず、従って
トランジスタの高速動作化を十分に図ることができなか
った。
In the above-described transistor using the conventional vacuum microelectronics, in order to allow the electrons emitted from the emitter 102 to reach the anode 105, it is necessary to largely change the movement direction of the electrons as shown by an arrow in FIG.
For this reason, electrons cannot be accelerated so much, and the high-speed operation of the transistor cannot be sufficiently achieved.

また、エミッタ102からアノード105に至る電子の経路
はゲート電極104からかなり離れており、しかもエミッ
タ102、ゲート電極104及びアノード105の寸法は1μm
オーダーと大きいことから、ゲート電極104による変調
効率が低く、相互コンダクタンスgmが小さかった。
The path of electrons from the emitter 102 to the anode 105 is far away from the gate electrode 104, and the dimensions of the emitter 102, the gate electrode 104, and the anode 105 are 1 μm.
Which is larger the order, low modulation efficiency by the gate electrode 104, the transconductance g m is small.

従って、この発明の目的は、高速動作が可能な真空マ
イクロエレクトロニクスによる半導体装置を提供するこ
とにある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device using vacuum microelectronics that can operate at high speed.

この発明の他の目的は、相互コンダクタンスが大きい
真空マイクロエレクトロニクスによる半導体装置を提供
することにある。
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device using vacuum microelectronics having a large mutual conductance.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的を達成するために、この発明は、エミッタ
(2)から放出された電子を真空中で走行させてアノー
ド(3)に到達させ、アノード(3)への電子の到達を
ゲート電極(4)により制御するようにした半導体装置
において、エミッタ(2)及びアノード(3)は半導体
から成る互いに対向する一対の突出部により形成され、
ゲート電極(4)はエミッタ(2)及びアノード(3)
の間を結ぶ方向に直交するように延在して形成されてい
るとともに、ゲート電極(4)は幅広の第1の領域(4
a、4b)とこれより幅狭の第2の領域とから成り、第2
の領域がエミッタ(2)及びアノード(3)の間を結ぶ
直線に近接して形成されている。
In order to achieve the above object, according to the present invention, the electrons emitted from the emitter (2) are caused to travel in a vacuum to reach the anode (3), and the arrival of the electrons at the anode (3) is controlled by the gate electrode (4). ), The emitter (2) and the anode (3) are formed by a pair of opposing protrusions made of a semiconductor,
Gate electrode (4) consists of emitter (2) and anode (3)
The gate electrode (4) is formed so as to extend perpendicular to the direction connecting the first region and the first region (4).
a, 4b) and a second region narrower than this,
Is formed near a straight line connecting the emitter (2) and the anode (3).

〔作用〕[Action]

上述のように構成されたこの発明の半導体装置によれ
ば、エミッタ(2)及びアノード(3)が半導体から成
る互いに対向する一対の突出部により形成されているの
で、エミッタ(2)からアノード(3)に至る電子の経
路は直線的になる。このため、エミッタ(2)から放出
される電子の加速電圧を十分に高くすることができ、従
って真空中で電子をエミッタ(2)からアノード(3)
にバリスティックに走行させることができる。これによ
って、高速動作が可能となる。
According to the semiconductor device of the present invention configured as described above, since the emitter (2) and the anode (3) are formed by a pair of opposing protrusions made of a semiconductor, the emitter (2) is connected to the anode (3). The electron path leading to 3) becomes linear. For this reason, the acceleration voltage of the electrons emitted from the emitter (2) can be made sufficiently high, so that the electrons are transferred from the emitter (2) to the anode (3) in a vacuum.
Can be run ballistically. This enables high-speed operation.

また、ゲート電極(4)はエミッタ(2)及びアノー
ド(3)の間を結ぶ方向に直交するように延在して形成
されているとともに、ゲート電極(4)は幅広の第1の
領域(4a、4b)とこれより幅狭の第2の領域とから成
り、第2の領域がエミッタ(2)及びアノード(3)の
間を結ぶ直線に近接して形成されているので、ゲート電
極(4)による変調効率が高く、従って相互コンダクタ
ンスを大きくすることができる。
The gate electrode (4) is formed so as to extend perpendicularly to a direction connecting the emitter (2) and the anode (3), and the gate electrode (4) has a wide first region ( 4a, 4b) and a second region narrower than the second region. Since the second region is formed close to a straight line connecting the emitter (2) and the anode (3), the gate electrode ( The modulation efficiency according to 4) is high, so that the transconductance can be increased.

以上により、高速動作が可能でしかも相互コンダクタ
ンスが大きい真空マイクロエレクトロニクスによる半導
体装置を実現することができる。
As described above, a semiconductor device using vacuum microelectronics that can operate at high speed and has a large mutual conductance can be realized.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の実施例について図面を参照しながら
説明する。なお、実施例の全図において、同一または対
応する部分には同一の符号を付す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the embodiments, the same or corresponding portions are denoted by the same reference numerals.

第1図はこの発明の第1実施例によるトランジスタを
示す斜視図、第2図は第1図のII−II線に沿っての断面
図を示す。
FIG. 1 is a perspective view showing a transistor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG.

第1図及び第2図に示すように、この第1実施例によ
るトランジスタにおいては、例えば半絶縁性ヒ化ガリウ
ム(GaAs)基板(図示せず)上に、所定距離隔てて互い
に対向する支柱1a、1bが形成されている。そして、これ
らの支柱1a、1bの互いに対向する側壁の上部からそれぞ
れ突出した互いに対向する一対の突出部に、それぞれエ
ミッタ2及びアノード3が形成されている。これらのエ
ミッタ2及びアノード3は例えば四角柱状の形状を有
し、それらの中心軸は同一直線上にある。これらのエミ
ッタ2及びアノード3の断面寸法の一例を挙げると、例
えば約5000Å×5000Å程度である。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the transistor according to the first embodiment, columns 1a opposed to each other at a predetermined distance on a semi-insulating gallium arsenide (GaAs) substrate (not shown), for example. , 1b are formed. An emitter 2 and an anode 3 are respectively formed on a pair of opposing protrusions protruding from the upper portions of the opposing side walls of the columns 1a and 1b. These emitter 2 and anode 3 have, for example, a quadrangular prism shape, and their central axes are on the same straight line. One example of a cross-sectional dimension of the emitter 2 and the anode 3 is, for example, about 5000 ° × 5000 °.

符号4は例えば半絶縁性GaAsから成るゲート電極を示
す。このゲート電極4の長手方向は、エミッタ2及びア
ノード3の間を結ぶ直線と直交している。また、このゲ
ート電極4は、中央部に比べて幅が広くなっている両端
部4a、4bで図示省略した支持部に支持されており、それ
らの間の部分では宙に浮いた構造になっている。この場
合、このゲート電極4は、エミッタ2及びアノード3の
間を結ぶ直線に近接して形成されている。このゲート電
極4の厚さの一例を挙げると、例えば約1500Å程度であ
る。また、エミッタ2及びアノード3の間を結ぶ直線と
ゲート電極4との間の距離は、例えば約1000Å程度であ
る。
Reference numeral 4 denotes a gate electrode made of, for example, semi-insulating GaAs. The longitudinal direction of the gate electrode 4 is orthogonal to a straight line connecting the emitter 2 and the anode 3. The gate electrode 4 is supported by supporting portions (not shown) at both ends 4a and 4b, which are wider than the central portion, and has a structure floating in the air between them. I have. In this case, the gate electrode 4 is formed close to a straight line connecting the emitter 2 and the anode 3. An example of the thickness of the gate electrode 4 is, for example, about 1500 °. The distance between the straight line connecting the emitter 2 and the anode 3 and the gate electrode 4 is, for example, about 1000 °.

符号5はn型GaAs層を示す。上述のエミッタ2、アノ
ード3、ゲート電極4及び支柱1a、1bは、このn型GaAs
層4で覆われている。この場合、エミッタ2及びアノー
ド3の先端におけるこのn型GaAs層4は、四角錐状の形
状を有する。そして、エミッタ2及びアノード3の先端
にそれぞれ形成されたこの四角錐状のn型GaAs層4の尖
った先端が互いに対向している。
Reference numeral 5 denotes an n-type GaAs layer. The above-mentioned emitter 2, anode 3, gate electrode 4, and columns 1a, 1b are formed of this n-type GaAs.
Covered with layer 4. In this case, the n-type GaAs layer 4 at the tips of the emitter 2 and the anode 3 has a quadrangular pyramid shape. The sharp tips of the quadrangular pyramid-shaped n-type GaAs layer 4 formed at the tips of the emitter 2 and the anode 3 are opposed to each other.

この第1実施例によるトランジスタは、アノード3に
エミッタ2よりも高い電圧を印加することによりこのエ
ミッタ2から放出された電子を真空中で走行させ、アノ
ード3への電子の到達をゲート電極4により制御するこ
とによって、トランジスタ動作を行わせるものである。
In the transistor according to the first embodiment, when a voltage higher than that of the emitter 2 is applied to the anode 3, electrons emitted from the emitter 2 travel in a vacuum, and the arrival of the electrons at the anode 3 is controlled by the gate electrode 4. By controlling, the transistor operation is performed.

次に、上述のように構成されたこの第1実施例による
トランジスタの製造方法について説明する。
Next, a method of manufacturing the transistor according to the first embodiment configured as described above will be described.

まず、この製造方法において用いられるエッチング方
法について説明する。すなわち、本発明者の知見によれ
ば、例えば半絶縁性GaAs基板を例えばCCl2F2のようなエ
ッチングガスを用いたドライエッチング法によりエッチ
ングする場合、ガス流量が少ないときは基板表面に対し
て垂直方向にエッチングされて行くが、その後にガス流
量を増やすと内側にエッチングされて行く。このとき、
エッチングの度合いはGaAsの結晶軸方向で異なり、以下
のような違いが現れる。
First, an etching method used in this manufacturing method will be described. That is, according to the findings of the present inventors, for example, when etching by the semi-insulating GaAs substrate dry etching method using an etching gas such as CCl 2 F 2, to the substrate surface when the gas flow rate is low Etching is performed in the vertical direction, but when the gas flow rate is increased thereafter, etching is performed inward. At this time,
The degree of etching differs in the crystal axis direction of GaAs, and the following differences appear.

第3図A〜第3図Cは(001)半絶縁性GaAs基板上に
ドライエッチングにより[110]方向に延びるストライ
プ状のパターンを形成する場合を示し、第4図A〜第4
図Cはドライエッチングにより[10]方向に延びる
ストライプ状のパターンを形成する場合を示す。
FIGS. 3A to 3C show a case where a stripe-shaped pattern extending in the [110] direction is formed on a (001) semi-insulating GaAs substrate by dry etching, and FIGS.
FIG. C shows a case where a stripe pattern extending in the [10] direction is formed by dry etching.

第3図A及び第4図Aに示すように、半絶縁性GaAs基
板11を図示省略したマスクを用いてドライエッチングす
る場合、[110]方向及び[10]方向のいずれで見
ても、ガス流量が少ないときは基板表面に対して垂直に
エッチングされて行き、ストライプ状のパターン11a、1
1bが形成される。
As shown in FIGS. 3A and 4A, when the semi-insulating GaAs substrate 11 is dry-etched using a mask (not shown), the gas is not affected in both the [110] direction and the [10] direction. When the flow rate is small, etching is performed perpendicular to the substrate surface, and the striped patterns 11a, 1
1b is formed.

その後、ガス流量を増やしてドライエッチングを続け
ると、第3図B及び第4図Bに示すように、[110]方
向に延びるストライプ状のパターン11aに比べて、[1
0]方向に延びるストライプ状のパターン11bの方が
内側に大きくエッチングされる。
Thereafter, when dry etching is continued by increasing the gas flow rate, as shown in FIG. 3B and FIG. 4B, [1] is smaller than the stripe pattern 11a extending in the [110] direction.
0], the stripe pattern 11b extending in the direction is etched more inward.

そして、ドライエッチングをさらに続けると、第3図
C及び第4図Cに示すように、宙に浮いた構造のストラ
イプ状のパターン11a、11bが形成される。ここで、[11
0]方向に延びるストライプ状のパターン11aに比べて、
[10]方向に延びるストライプ状のパターン11bの
方が厚さが小さくなっている。
When the dry etching is further continued, as shown in FIGS. 3C and 4C, stripe-shaped patterns 11a and 11b having a structure floating in the air are formed. Here, [11
0] compared to the striped pattern 11a extending in the direction.
The stripe-shaped pattern 11b extending in the [10] direction has a smaller thickness.

この第1実施例によるトランジスタの製造方法におい
ては、以上のようなエッチング方法を用いる。
In the method of manufacturing the transistor according to the first embodiment, the above-described etching method is used.

すなわち、第5図Aに示すように、まず半絶縁性GaAs
基板1上に、形成すべきエミッタ、アノード及びゲート
電極に対応した形状のマスク(図示せず)を形成し、こ
のマスクを用いて半絶縁性GaAs基板1をドライエッチン
グすることにより、ゲート電極に対応した位置にストラ
イプ状のパターン1cを形成する。
That is, as shown in FIG. 5A, first, a semi-insulating GaAs
A mask (not shown) having a shape corresponding to an emitter, an anode and a gate electrode to be formed is formed on the substrate 1, and the semi-insulating GaAs substrate 1 is dry-etched using the mask to form a gate electrode. A stripe pattern 1c is formed at the corresponding position.

次に、ガス流量を増やしてドライエッチングを続け
る。これによって、第5図Bに示すように、ストライプ
状のパターン1cの下部が内側にエッチングされて行く。
Next, dry etching is continued by increasing the gas flow rate. As a result, as shown in FIG. 5B, the lower part of the stripe pattern 1c is etched inward.

さらにドライエッチングを続けることにより、第5図
Cに示すように、宙に浮いた構造のゲート電極4を形成
するとともに、支柱1a、1bの互いに対向する側壁の上部
に、それぞれエミッタ2及びアノード3を互いに対向し
て形成する。
By continuing the dry etching, as shown in FIG. 5C, a gate electrode 4 having a structure floating in the air is formed, and an emitter 2 and an anode 3 are respectively formed on the upper portions of the opposing side walls of the columns 1a and 1b. Are formed facing each other.

次に、ドライエッチングに用いたマスクを除去した
後、第1図及び第2図に示すように、例えば有機金属気
相成長(MOCVD)法によりn型GaAs層5を全面にエピタ
キシャル成長させる。この場合、エミッタ2及びアノー
ド3の先端では、このn型GaAs層5は四角錐状に成長
し、その頂点が形成された時点で成長が停止する。この
ことはゲート電極4の両側壁においても同様である。
Next, after removing the mask used for the dry etching, as shown in FIGS. 1 and 2, an n-type GaAs layer 5 is epitaxially grown on the entire surface by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. In this case, the n-type GaAs layer 5 grows in the shape of a quadrangular pyramid at the tips of the emitter 2 and the anode 3, and stops growing at the time when the apex is formed. The same applies to both side walls of the gate electrode 4.

以上のように、この第1実施例によれば、中心軸が同
一直線上にあるエミッタ2及びアノード3が互いに対向
して形成されているので、エミッタ2の先端から放出さ
れる電子がアノード3に至る経路は直線的であり、従っ
てすでに述べた従来の真空マイクロエレクトロニクスに
よるトランジスタのようにエミッタから放出された電子
をアノードに到達させるために電子の運動方向を大きく
変える必要がない。このため、電子の加速電圧をより高
くすることができるので、電子をバリスティックに走行
させることができるようになる。これによって、トラン
ジスタの高速動作化を図ることができる。
As described above, according to the first embodiment, since the emitter 2 and the anode 3 whose central axes are on the same straight line are formed so as to face each other, the electrons emitted from the tip of the emitter 2 are emitted from the anode 3 Is straight, so that it is not necessary to change the direction of movement of the electrons in order to allow the electrons emitted from the emitter to reach the anode as in the conventional vacuum microelectronic transistor described above. Therefore, the acceleration voltage of the electrons can be further increased, so that the electrons can be ballistically driven. Thus, high-speed operation of the transistor can be achieved.

さらに、エミッタ2からアノード3に至る電子の経路
から1000Å程度しか離れていない所にゲート電極4が形
成されているので、トランジスタの相互コンダクタンス
gmを大きくすることができる。
Further, since the gate electrode 4 is formed only at a distance of about 1000 ° from the electron path from the emitter 2 to the anode 3, the transconductance of the transistor is reduced.
g m can be increased.

この相互コンダクンタンスgmは、ゲート電極4の電位
Vgを変化させたときにエミッタ2及びアノード3の間の
電場Eがどの程度変化するかで評価することができる。
すなわち、 である。
This mutual conductance g m is equal to the potential of the gate electrode 4.
It is possible to evaluate how much the electric field E between the emitter 2 and the anode 3 changes when V g is changed.
That is, It is.

Vgはゲート電極4に集まった電荷Qgに比例するので、
(1)式は となる。
Since V g is proportional to the charge Q g collected on the gate electrode 4,
Equation (1) is Becomes

ところで、エミッタ2及びアノード3の間の電場E
は、今考えている系が二次元系であるので、E〜Qg/r
(r:系の長さ、すなわちエミッタ2及びアノード3の間
を結ぶ直線とゲート電極4との間の距離)となる。従っ
て、 である。
By the way, the electric field E between the emitter 2 and the anode 3
Is E to Q g / r because the system we are thinking about is a two-dimensional system.
(R: length of the system, that is, the distance between the straight line connecting the emitter 2 and the anode 3 and the gate electrode 4). Therefore, It is.

従来はr〜1μm程度であったのに対して、この第1
実施例ではr〜1000Åとすることができるので、(3)
式より、相互コンダクタンスgmを従来に比べて約10倍程
度高くすることができることがわかる。
Conventionally, it was about r to 1 μm.
In the embodiment, since it can be set to r to 1000 °, (3)
From the formula, the transconductance g m It can be seen that it is possible to increase about 10 times as compared with the prior art.

ところで、上述の第1実施例によるトランジスタにお
いて用いられている導電性のn型GaAs層5は、エミッタ
2、アノード3及びゲート電極4の表面ばかりでなく、
支柱1a、1bの表面にも形成されている。このため、エミ
ッタ2、アノード3及びゲート電極4間の電気的分離を
行うのが難しい。そこで、次にこのような問題を解決す
ることができる第2実施例について説明する。
Incidentally, the conductive n-type GaAs layer 5 used in the transistor according to the above-described first embodiment includes not only the surfaces of the emitter 2, the anode 3, and the gate electrode 4, but also
It is also formed on the surfaces of the columns 1a and 1b. Therefore, it is difficult to electrically isolate the emitter 2, the anode 3, and the gate electrode 4. Therefore, a second embodiment capable of solving such a problem will be described below.

第6図はこの発明の第2実施例によるトランジスタを
示す断面図である。
FIG. 6 is a sectional view showing a transistor according to a second embodiment of the present invention.

第6図に示すように、この第2実施例によるトランジ
スタにおいては、半絶縁性GaAs基板上に形成された支柱
1a、1bの上にn型GaAs層21が形成されている。ここで、
このn型GaAs層21の厚さは例えば5000Å程度である。こ
のn型GaAs層21は、支柱1a、1bの互いに対向する側壁か
ら、互いの方に向かって突出している。このn型GaAs層
21から成る突出部は例えば四角柱状の形状を有する。そ
して、互いに対向するこの一対の突出部により、それぞ
れエミッタ2及びアノード3が形成される。
As shown in FIG. 6, in the transistor according to the second embodiment, a pillar formed on a semi-insulating GaAs substrate is used.
An n-type GaAs layer 21 is formed on 1a and 1b. here,
The thickness of the n-type GaAs layer 21 is, for example, about 5000 °. The n-type GaAs layer 21 protrudes from the opposing side walls of the columns 1a and 1b toward each other. This n-type GaAs layer
The projecting portion 21 has, for example, a quadrangular prism shape. The pair of projections facing each other form an emitter 2 and an anode 3, respectively.

符号22は半絶縁性GaAs層を示す。上述のエミッタ2、
アノード3及び支柱1a、1bは、この半絶縁性GaAs層22で
覆われている。この場合、エミッタ2及びアノード3の
先端におけるこの半絶縁性GaAs層22は、第1実施例と同
様に四角錐状の形状を有する。そして、エミッタ2及び
アノード3の先端にそれぞれ形成されたこの四角錐状の
半絶縁性GaAs層22の尖った先端が互いに対向している。
Reference numeral 22 denotes a semi-insulating GaAs layer. Emitter 2 described above,
The anode 3 and the columns 1a and 1b are covered with the semi-insulating GaAs layer 22. In this case, the semi-insulating GaAs layer 22 at the tips of the emitter 2 and the anode 3 has a quadrangular pyramid shape as in the first embodiment. The sharp tips of the quadrangular pyramid-shaped semi-insulating GaAs layer 22 formed at the tips of the emitter 2 and the anode 3 are opposed to each other.

次に、この第2実施例によるトランジスタの製造方法
について説明する。
Next, a method of manufacturing the transistor according to the second embodiment will be described.

第7図Aに示すように、まず半絶縁性GaAs基板1上に
n型GaAs層21を例えばMOCVD法によりエピタキシャル成
長させる。
As shown in FIG. 7A, first, an n-type GaAs layer 21 is epitaxially grown on the semi-insulating GaAs substrate 1 by, for example, the MOCVD method.

次に、このn型GaAs層21上に、形成すべきエミッタ、
アノード及びゲート電極に対応した形状のマスク(図示
せず)を形成し、このマスクを用いてn型GaAs層21及び
半絶縁性GaAs基板1をドライエッチングして、第7図B
に示す状態とする。
Next, on the n-type GaAs layer 21, an emitter to be formed,
A mask (not shown) having a shape corresponding to the anode and the gate electrode is formed, and the n-type GaAs layer 21 and the semi-insulating GaAs substrate 1 are dry-etched using the mask, and FIG.
State.

次に、ガス流量を増やしてドライエッチングを続ける
ことにより、第7図Cに示すように、宙に浮いた構造の
ゲート電極4を形成するとともに、互いに対向するエミ
ッタ2及びアノード3を形成する。
Next, by continuing the dry etching by increasing the gas flow rate, as shown in FIG. 7C, the gate electrode 4 having a structure floating in the air is formed, and the emitter 2 and the anode 3 facing each other are formed.

この後、第6図に示すように、半絶縁性GaAs層22を全
面にエピタキシャル成長させて、目的とするトランジス
タを完成させる。
Thereafter, as shown in FIG. 6, a semi-insulating GaAs layer 22 is epitaxially grown on the entire surface to complete a target transistor.

なお、この半絶縁性GaAs層22のエピタキシャル成長時
には、n型GaAs層21の表面に成長する半絶縁性GaAs層22
は、このn型GaAs層21からのn型不純物の拡散により例
えばn-型化される。従って、エミッタ2の先端からの電
子放出は十分に行われる。また、トランジスタの動作時
には、エミッタ2及びアノード3の間の高電場によりGa
Asの伝導帯のエネルギーが下がるので、電子放出はより
容易となる。
During the epitaxial growth of the semi-insulating GaAs layer 22, the semi-insulating GaAs layer 22 growing on the surface of the n-type GaAs layer 21 is formed.
, The n-type diffusion by, for example, n of the n-type impurity from the GaAs layer 21 - is type conductivity. Therefore, electron emission from the tip of the emitter 2 is sufficiently performed. During operation of the transistor, a high electric field between the emitter 2 and the anode 3 causes Ga
Since the energy of the conduction band of As is lowered, electron emission becomes easier.

この第2実施例によれば、半絶縁性GaAsから成る支柱
1a、1b上に形成されたn型GaAs層21によりエミッタ2及
びアノード3が形成されているので、エミッタ2、アノ
ード3及びゲート電極4間の電気的分離を容易に行うこ
とができる。その他の利点は第1実施例と同様である。
According to the second embodiment, a support made of semi-insulating GaAs
Since the emitter 2 and the anode 3 are formed by the n-type GaAs layer 21 formed on 1a and 1b, electrical separation between the emitter 2, the anode 3 and the gate electrode 4 can be easily performed. Other advantages are the same as in the first embodiment.

上述の第1実施例及び第2実施例によるトランジスタ
は、例えば、室温で動作可能なアハラノフ−ボーム(Ah
aronov−Bohm)効果トランジスタなどへの応用が可能で
ある。
The transistors according to the above-described first and second embodiments are, for example, Aharonov-Bohm (Ah) operable at room temperature.
An application to an aronov-Bohm effect transistor or the like is possible.

ところで、上述の第1実施例及び第2実施例によるト
ランジスタにおいては、電子が真空中へ放出されるエミ
ッタ2の先端部の径は高々数百Å程度と小さいため、エ
ミッタ2及びアノード3の間に流れる電流量はあまり多
くない。また、エミッタ2及びアノード3の間の距離は
1.5μm程度と比較的大きいため、エミッタ2及びアノ
ード3の間に必要な電位差も大きい。そこで、次にこの
ような問題を解決することができる第3実施例について
説明する。
In the transistors according to the first and second embodiments, the diameter of the tip of the emitter 2 from which electrons are emitted into a vacuum is as small as several hundreds mm at most. Is not so large. The distance between the emitter 2 and the anode 3 is
Since it is relatively large, about 1.5 μm, the necessary potential difference between the emitter 2 and the anode 3 is also large. Therefore, a third embodiment capable of solving such a problem will be described below.

第8図はこの発明の第3実施例によるトランジスタを
示す斜視図、第9図及び第10図はそれぞれ第8図のIX−
IX線及びX−X線に沿っての断面図を示す。
FIG. 8 is a perspective view showing a transistor according to a third embodiment of the present invention, and FIGS.
FIG. 3 shows a cross-sectional view along the line IX and the line XX.

第8図、第9図及び第10図に示すように、この第3実
施例によるトランジスタにおいては、半絶縁性GaAs基板
1上にn型GaAs層21が形成されている。これらの半絶縁
性GaAs基板1及びn型GaAs層21には、基板表面に対して
それぞれ角度θ及び−θだけ傾斜した一対の溝23a、23b
が、断面で見てX字状の形状に形成されている。ここ
で、これらの溝23a、23bの深さ方向に垂直な断面はコ字
状の形状を有する。そして、これらの溝23a、23bの交差
部の両側の、n型GaAs層21から成る互いに対向する三角
形断面の一対の突出部によりそれぞれエミッタ2及びア
ノード3が形成されている。ここで、これらのエミッタ
2及びアノード3の先端は直線状になっている。
As shown in FIGS. 8, 9 and 10, in the transistor according to the third embodiment, an n-type GaAs layer 21 is formed on a semi-insulating GaAs substrate 1. The semi-insulating GaAs substrate 1 and the n-type GaAs layer 21 have a pair of grooves 23a and 23b inclined by angles θ and −θ, respectively, with respect to the substrate surface.
Are formed in an X-shape when viewed in cross section. Here, the cross section perpendicular to the depth direction of these grooves 23a and 23b has a U-shape. An emitter 2 and an anode 3 are respectively formed by a pair of opposing triangular cross-section projections made of the n-type GaAs layer 21 on both sides of the intersection of the grooves 23a and 23b. Here, the tips of the emitter 2 and the anode 3 are linear.

n型GaAs層から成るゲート電極4は、その一端または
両端で図示省略した支持部により支持されており、それ
らの間の部分では宙に浮いた構造となっている。この場
合、このゲート電極4は、エミッタ2及びアノード3の
間を結ぶ直線の上下に形成されている。
The gate electrode 4 made of an n-type GaAs layer is supported at one end or both ends by a support portion (not shown), and has a structure floating in the air between the portions. In this case, the gate electrode 4 is formed above and below a straight line connecting the emitter 2 and the anode 3.

エミッタ2及びアノード3の間の距離を11とすると、
エミッタ2からアノード3に至る電子の経路とゲート電
極4との間の距離は(l1/2)tan θとなる。ここで、l1
〜5000Åとすれば、θ〜20゜の場合、電子の経路とゲー
ト電極4との間の距離を(l1/2)tan θ〜1000Åとする
ことができる。
1 1 when the distance between the emitter 2 and anode 3,
The distance between the electron path and a gate electrode 4 extending from the emitter 2 to the anode 3 becomes (l 1/2) tan θ . Where l 1
If ~5000A, if the θ~20 °, it is possible to make the distance between the electron path and the gate electrode 4 and the (l 1/2) tan θ~1000Å .

また、第9図及び第10図に示す断面に垂直な方向のエ
ミッタ2及びアノード3の長さuは任意の長さとするこ
とができ、従ってuを十分に長くすることにより、エミ
ッタ2及びアノード3の間に流れる電流量を増やすこと
ができる。
9 and 10, the length u of the emitter 2 and the anode 3 in the direction perpendicular to the cross section shown in FIGS. 9 and 10 can be set to an arbitrary length. 3 can be increased.

第9図において、幅l2の領域は、エミッタ2、アノー
ド3及びゲート電極4の間の電気的分離を行うためのも
のである。
In FIG. 9, the area of the width l 2 is intended for electrical separation between the emitter 2, an anode 3 and a gate electrode 4.

次に、上述のように構成されたこの第3実施例による
トランジスタの製造方法について説明する。
Next, a method of manufacturing the transistor according to the third embodiment having the above-described configuration will be described.

第11図Aに示すように、まず半絶縁性GaAs基板1上に
n型GaAs層21をエピタキシャル成長させる。このn型Ga
As層21の厚さは(L+l1)tan θとする。ただし、Lは
ゲート電極4の幅である。
As shown in FIG. 11A, first, an n-type GaAs layer 21 is epitaxially grown on a semi-insulating GaAs substrate 1. This n-type Ga
The thickness of the As layer 21 is (L + l 1 ) tan θ. Here, L is the width of the gate electrode 4.

次に、このn型GaAs層21上に例えばアルミニウム(A
l)から成るマスク24を形成する。このマスク24は、形
成すべき溝の断面形状に対応した形状の開口24aを有す
る。
Next, on this n-type GaAs layer 21, for example, aluminum (A
A mask 24 consisting of l) is formed. This mask 24 has an opening 24a having a shape corresponding to the cross-sectional shape of the groove to be formed.

次に、半絶縁性GaAs基板1をエッチング方向に対して
角度(π/2−θ)だけ傾斜させた状態で、マスク24を用
いてn型GaAs層21及び半絶縁性GaAs基板1を所定深さま
でドライエッチングする。これによって、第11図Bに示
すように、基板表面に対して角度θだけ傾斜した溝23a
が形成される。
Next, while the semi-insulating GaAs substrate 1 is inclined by an angle (π / 2−θ) with respect to the etching direction, the n-type GaAs layer 21 and the semi-insulating GaAs substrate 1 are moved to a predetermined depth using a mask 24. Then dry-etch. As a result, as shown in FIG. 11B, the groove 23a inclined by the angle θ with respect to the substrate surface is formed.
Is formed.

次に、マスク24をエッチング除去した後、溝23aを例
えばSiO2のような物質(図示せず)で埋める。次に、マ
スク24を基板上で180゜回転させた形状の別のマスク
(図示せず)をn型GaAs層21上に形成する。次に、半絶
縁性GaAs基板1をエッチング方向に対して角度−(π/2
−θ)だけ傾斜させた状態で、このマスクを用いてn型
GaAs層21及び半絶縁性GaAs基板1を所定深さまでドライ
エッチングする。この後、このマスクをエッチング除去
する。これによって、第11図Cに示すように、基板表面
に対して角度−θだけ傾斜した溝23bが形成される。
Next, after the mask 24 is removed by etching, the groove 23a is filled with a material (not shown) such as, for example, SiO 2 . Next, another mask (not shown) having a shape obtained by rotating the mask 24 by 180 ° on the substrate is formed on the n-type GaAs layer 21. Next, the semi-insulating GaAs substrate 1 is placed at an angle − (π / 2) with respect to the etching direction.
−θ) and n-type
The GaAs layer 21 and the semi-insulating GaAs substrate 1 are dry-etched to a predetermined depth. Thereafter, the mask is removed by etching. As a result, as shown in FIG. 11C, a groove 23b inclined by an angle -θ with respect to the substrate surface is formed.

次に、このようにして形成された溝23bを例えばSiO2
のような物質(図示せず)で埋めた後、第11図Dに示す
ように、n型GaAs層21上に、形成すべきエミッタ、アノ
ード及びゲート電極に対応した形状のマスク25を形成す
る。
Next, the groove 23b thus formed is formed by, for example, SiO 2
11D, a mask 25 having a shape corresponding to the emitter, anode and gate electrode to be formed is formed on the n-type GaAs layer 21 as shown in FIG. 11D. .

次に、このマスク25を用いてn型GaAs層21及び半絶縁
性GaAs基板1を基板表面に対して垂直方向に所定深さま
でドライエッチングした後、このマスク25をエッチング
除去する。この後、溝23a、23b内のSiO2のような物質を
エッチング除去する。これによって、第8図、第9図及
び第10図に示すように、目的とするトランジスタが完成
される。
Next, the n-type GaAs layer 21 and the semi-insulating GaAs substrate 1 are dry-etched to a predetermined depth in a direction perpendicular to the substrate surface using the mask 25, and then the mask 25 is removed by etching. Thereafter, a substance such as SiO 2 in the grooves 23a and 23b is removed by etching. Thus, the intended transistor is completed as shown in FIGS. 8, 9, and 10.

この第3実施例によれば、エミッタ2の先端が線状で
横方向に長くなっているので、点状のエミッタの場合に
比べて、エミッタ2及びアノード3の間を流れる電流を
増やすことができる。また、エミッタ2及びアノード3
の間の距離を短くすることができるので、エミッタ2及
びアノード3の間に必要な電位差を小さくすることがで
きる。さらに、エミッタ2からアノード3に至る電子の
経路の上下に、この経路に近接してゲート電極4が形成
されているので、このゲート電極4による変調効率が高
く、従って相互コンダクタンスgmを大きくすることがで
きる。
According to the third embodiment, since the tip of the emitter 2 is linear and elongated in the horizontal direction, the current flowing between the emitter 2 and the anode 3 can be increased as compared with the case of a point-like emitter. it can. Further, the emitter 2 and the anode 3
Can be shortened, so that the necessary potential difference between the emitter 2 and the anode 3 can be reduced. Furthermore, above and below the electron path from the emitter 2 to the anode 3, the gate electrode 4 in proximity to the path is formed, modulation efficiency by the gate electrode 4 is high, thus increasing the transconductance g m be able to.

なお、上述のようにエミッタ2からアノード3に至る
電子の経路の上下に、この経路に近接してゲート電極4
が形成されているので、このゲート電極4の電位を負に
することにより、エミッタ2からアノード3への電子の
到達を容易に抑えることができる。
As described above, the gate electrode 4 is located above and below the electron path from the emitter 2 to the anode 3 and in close proximity to this path.
Is formed, the arrival of electrons from the emitter 2 to the anode 3 can be easily suppressed by making the potential of the gate electrode 4 negative.

以上、この発明の実施例につき具体的に説明したが、
この発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、
この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能であ
る。
Although the embodiments of the present invention have been specifically described above,
The invention is not limited to the embodiments described above,
Various modifications based on the technical concept of the present invention are possible.

例えば、上述の第1実施例、第2実施例及び第3実施
例においては、トランジスタを形成する半導体としてGa
Asを用いているが、その他の各種の半導体を用いること
が可能である。
For example, in the above-described first, second, and third embodiments, the semiconductor forming the transistor is Ga.
Although As is used, various other semiconductors can be used.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように、この発明によれば、エミッタ及び
アノードは半導体から成る互いに対向する一対の突出部
により形成され、ゲート電極はエミッタ及びアノードの
間を結ぶ直線に近接して形成されているので、高速動作
が可能でしかも相互コンダクタンスが大きい真空マイク
ロエレクロニクスによるトランジスタを実現することが
できる。
As described above, according to the present invention, the emitter and the anode are formed by the pair of opposing protrusions made of a semiconductor, and the gate electrode is formed close to a straight line connecting the emitter and the anode. In addition, it is possible to realize a transistor based on vacuum microelectronics which can operate at high speed and has a large mutual conductance.

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

第1図はこの発明を第1実施例によるトランジスタを示
す斜視図、第2図は第1図のII−II線に沿っての断面
図、第3図A〜第3図C及び第4図A〜第4図Cは第1
図及び第2図に示すトランジスタの製造方法において用
いられるエッチング方法を説明するための断面図、第5
図A〜第5図Cは第1図及び第2図に示すトランジスタ
の製造方法を説明するための断面図、第6図はこの発明
の第2実施例によるトランジスタを示す断面図、第7図
A〜第7図Cは第6図に示すトランジスタの製造方法を
説明するための断面図、第8図はこの発明の第3実施例
によるトランジスタを示す断面図、第9図は第8図のIX
−IX線に沿っての断面図、第10図は第8図のX−X線に
沿っての断面図、第11図A〜第11図Dは第8図、第9図
及び第10図に示すトランジスタの製造方法を説明するた
めの断面図、第12図は従来の真空マイクロエレクトロニ
クスによるトランジスタの一例を示す断面図である。 図面における主要な符号の説明 1:半絶縁性GaAs基板、1a、1b:支柱、 2:エミッタ、3:アノード、 4:ゲート電極、5、21:n型GaAs層、 22:半絶縁性GaAs基板。
FIG. 1 is a perspective view showing a transistor according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of FIG. 1, and FIGS. 3A to 3C and FIG. FIG.
5A and 5B are cross-sectional views for explaining an etching method used in the method of manufacturing the transistor shown in FIGS.
5A to 5C are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the transistor shown in FIGS. 1 and 2, FIG. 6 is a cross-sectional view showing a transistor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 7A to 7C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the transistor shown in FIG. 6, FIG. 8 is a cross-sectional view showing a transistor according to a third embodiment of the present invention, and FIG. IX
FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line IX of FIG. 8, FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 8, and FIGS. 11A to 11D are FIGS. And FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of a conventional vacuum microelectronic transistor. Explanation of main symbols in the drawings 1: semi-insulating GaAs substrate, 1a, 1b: pillar, 2: emitter, 3: anode, 4: gate electrode, 5, 21: n-type GaAs layer, 22: semi-insulating GaAs substrate .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 19/24 H01J 21/06 H01J 1/30 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 19/24 H01J 21/06 H01J 1/30

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】エミッタから放出された電子を真空中で走
行させてアノードに到達させ、上記アノードへの上記電
子の到達をゲート電極により制御するようにした半導体
装置において、 上記エミッタ及び上記アノードは半導体から成る互いに
対向する一対の突出部により形成され、 上記ゲート電極は上記エミッタ及び上記アノードの間を
結ぶ方向に直交するように延在して形成されているとと
もに、該ゲート電極は幅広の第1の領域とこれより幅狭
の第2の領域とから成り、該第2の領域が上記エミッタ
及び上記アノードの間を結ぶ直線に近接して形成されて
いることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device in which electrons emitted from an emitter travel in a vacuum to reach an anode, and the arrival of the electrons at the anode is controlled by a gate electrode. The gate electrode is formed by a pair of opposing protrusions made of a semiconductor, and the gate electrode is formed to extend perpendicularly to a direction connecting the emitter and the anode, and the gate electrode is formed of a wide A semiconductor device comprising: a first region and a second region having a width smaller than the first region, wherein the second region is formed near a straight line connecting the emitter and the anode.
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