JP3385637B2

JP3385637B2 - 共鳴トンネル電界効果型トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JP3385637B2
Application number: JP01144293A
Authority: JP
Inventors: 雄次阿部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-01-27
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 2003-03-10
Anticipated expiration: 2018-03-10
Also published as: JPH06224443A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新機能な電子デバイス
に関し、特に、共鳴トンネル現象を利用した電界効果型
トランジスタの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１４(ａ)〜(ｄ)は、Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏ
ｕ，ｅｔ．ａｌ．，Ａppl．Ｐhys．Ｌett., vol．55，
176 (1989)に示された従来の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタの製造方法を工程順に示した断面摸式図であ
り、図１５は、図１４(ａ)〜(ｄ)の製造工程を経て完成
した従来の共鳴トンネル電界効果型トランジスタを示す
断面摸式図である。図において、１は半絶縁性ＧａＡｓ
基板、２はアンドープＧａＡｓチャンネル層、３はアン
ドープＡｌＧａＡｓスペーサ層、４はｎ型ＡｌＧａＡｓ
層、５はｎ型ＧａＡｓキャップ層、６はＡｕＧｅ／Ｎｉ
／Ａｕからなるオーミック電極、７は良好なオーミック
接触を形成するために熱アニールすることによって生じ
た合金化領域、８はＴｉ／Ａｕからなるショットキー電
極、９は二次元電子ガス、１１は電子ビーム露光用レジ
ストである。

【０００３】まず、従来の共鳴トンネル電界効果型トラ
ンジスタの製造方法の説明をする。半絶縁性ＧａＡｓ基
板１上に、分子線エピタキシャル成長法でアンドープＧ
ａＡｓチャンネル層２、アンドープＡｌＧａＡｓスペー
サ層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層４、ｎ型ＧａＡｓキャップ
層５を図１４(ａ)に示すように順次成長する。ここで、
アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層３の膜厚は２.５ｎ
ｍ、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層４の膜厚とドーピング濃度はそ
れぞれ４５ｎｍと２×１０¹⁸cm^-3であり、ｎ型ＧａＡｓ
キャップ層５の膜厚とドーピング濃度はそれぞれ５０ｎ
ｍと３×１０¹⁸cm^-3である。次に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａ
ｕを真空蒸着などで堆積させ、リフトオフ法などにより
オーミック電極６を図１４(ｂ)に示すように形成し、熱
アニールすることによって合金化させ良好なオーミック
接触を形成する。その後、ゲート領域のｎ型ＧａＡｓキ
ャップ層５を図１４(ｂ)に示すようにエッチングで除去
する。次に、電子ビーム露光用レジスト１１を全面に塗
布し、電子ビーム露光法でｎ型ＧａＡｓキャップ層５を
除去した領域に、微小なストライプ状の開きパターンを
２本非常に近接させて図１４(ｃ)に示すように形成す
る。その後、Ｔｉ／Ａｕからなるショットキー電極８を
真空蒸着法などの方向性のある方法で上部から堆積させ
る。図１４(ｄ)に示すような形状ができる。そして、電
子ビーム露光用レジスト１１を除去すると、電子ビーム
露光用レジスト１１上のＴｉ／Ａｕは同時に除去でき、
図１５に示す構造が出来上がる。

【０００４】図１６は従来の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタの動作説明をするための摸式的なエネルギー
バンド図であり、９は電子ガス、１０ａ，１０ｂ，１０
ｃは量子準位である。図１７(ａ)，(ｂ)は従来の共鳴ト
ンネル電界効果型トランジスタの摸式的な特性図であ
る。

【０００５】次に動作について説明する。従来の共鳴ト
ンネル電界効果型トランジスタは、上記（図１５）のよ
うに構成されており、電子親和力の違いにより、ｎ型Ａ
ｌＧａＡｓ層４から、アンドープＧａＡｓチャンネル層
２へ電子が供給され、アンドープＧａＡｓチャンネル層
２中のアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層３との界面部
に、電子ガス９が形成される。なおここで、アンドープ
ＡｌＧａＡｓスペーサ層３は、電子ガス９を不純物がド
ーピーングされているｎ型ＡｌＧａＡｓ層４から空間的
に離すことにより、不純物散乱を抑制し、電子ガス９の
移動度を向上させるために設けられている。ショットキ
ー電極８からなるゲート（Ｇ）近傍は、ｎ型ＧａＡｓキ
ャップ層５が除去されているが、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層４
の膜厚やドーピング濃度が適当であれば、ｎ型ＧａＡｓ
キャップ層５が除去されている領域においても電子ガス
９が形成されている。

【０００６】ここで、ゲート（Ｇ）に負の電圧を印加す
ると、通常の変調ドープ構造電界効果型トランジスタと
同様に、ゲート（Ｇ）直下の電子ガス９が空乏化、すな
わち、電子ガス９にとってポテンシャル障壁ができる。
通常の電界効果型トランジスタと異なりゲート（Ｇ）が
２本形成されているため、図１６に示すように電子ガス
９が空乏化する領域は、２つになり、さらに、２本のシ
ョットキー電極８の間隔が狭いと、電子ガス９が空乏化
した領域の間の領域の電子は、とびとびの量子準位１０
ａ，１０ｂ，１０ｃなどのエネルギー状態しかとれなく
なる。２つのオーミック電極６をそれぞれソース
（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）とし、その間に電圧を印加し電
流を流すことを考える。ソース（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）
間には、先ほど述べたように、２つのポテンシャル障壁
が形成されているが、２本のショットキー電極８の幅が
十分狭いと、その直下に形成されるポテンシャル障壁の
幅も狭くなり、それぞれのポテンシャル障壁を電子はト
ンネリングにより通り抜けが可能になる。しかし、ポテ
ンシャル障壁の間の領域の電子のエネルギー状態は量子
化されているため、量子準位（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
など）のエネルギーを持った電子だけが共鳴的にトンネ
リングする。通常伝導に寄与する電子は、フェルミレベ
ル近傍のエネルギーを持った電子だけであるため、例え
ば、ゲート電圧（Ｖ_GS）を一定にして、ソース、ドレイ
ン間の電圧（Ｖ_DS）を増加させていくと、図１７(ａ)の
ように、ソース、ドレイン間に流れる電流（Ｉ_DS）は、
フェルミレベルが量子準位１０ｂ，１０ｃと揃う近傍の
み多く流れるため、それぞれに対応する電圧、Ｖ_DS＝Ｖ
_b、Ｖ_cでピークをもつ負性微分抵抗特性が得られる。ま
た、ゲート電圧を変化させると、ポテンシャル障壁の高
さおよび間隔が変化するので、量子準位（１０ａ，１０
ｂ，１０ｃなど）のレベルを変化させることができ、図
１７(ｂ)のようにゲート電圧（Ｖ_GS）に対するソース、
ドレイン間の電流（Ｉ_DS）は、量子準位１０ａ，１０
ｂ，１０ｃそれぞれがフェルミレベルと一致するゲート
電圧Ｖ_GS＝Ｖ_Ga，Ｖ_Gb，Ｖ_Gcでピークをもつ特性が得ら
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の共鳴トンネル電
界効果型トランジスタは、上記のように構成されている
ため、ソース、ドレイン間の良好な負性微分抵抗特性を
得るためには、非常に幅の狭い２本のショットキー電極
８を非常に近接させて形成する必要がある。現在、最小
のパターンを形成できるリソグラフィー技術としては、
電子ビーム露光法があげられるが、図１４(ｃ)に示すよ
うな電子ビーム露光用レジスト１１のパターン（非常に
近接させた非常に幅の狭いストライプパターン）を形成
するのは、近接効果などの影響により、非常に困難であ
る。従来の共鳴トンネル電界効果型トランジスタでは、
２本のショットキー電極８の幅としては８０ｎｍ、間隔
としては１００ｎｍとしているが、さらに特性を向上さ
せ、室温においても十分動作をする素子を得るために
は、何等かのブレークスルーが必要であるなどの問題が
あった。

【０００８】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、良好な負性微分抵抗特性が室温
においても十分得られる共鳴トンネル電界効果型トラン
ジスタを簡便に製造できる方法を得ることを目的とす
る。

【０００９】

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る共鳴トンネ
ル電界効果型トランジスタの製造方法は、基板上に第３
の半導体層と、これより電子親和力が小なるｎ型不純物
を含む第２の半導体層と、ｎ型不純物を含む第１の半導
体層とを順に成膜すると共に、上記第１の半導体層を除
去した場合、除去した部分の層方向下方における上記第
３の半導体層の上記第２の半導体層側界面部分では電子
ガスが空乏化するような半導体結晶構造に構成し、スト
ライプ状の開口パターンを有するエッチングマスクを用
い、上記第１の半導体層を異方性エッチングにより断面
逆メサ形状に選択的に除去して上記第２の半導体層を露
出させ、第２の半導体層との間にショットキー障壁を形
成し得る金属を方向性のある成膜法で上部から堆積さ
せ、上記エッチングマスク上に堆積した上記金属をリフ
トオフ法で除去し、露出した上記第２の半導体層の中心
近傍にストライプ状のショットキー電極を形成するよう
にしたものである。

【００１１】また、第１の半導体層上にこれとオーミッ
ク接触を形成し得る金属層を成膜し、これに上記第１の
半導体層を異方性エッチングした場合に逆メサ形状とな
るようにストライプ状の開口パターン形成し、これを第
１の半導体層のエッチングマスクとして用いるようにし
た。

【００１２】あるいは、第１の半導体層を除去した後、
第２の半導体層を所定幅露出させて、除去した第１の半
導体層側面に絶縁膜を形成し、露出した第２の半導体層
上にショットキー電極を形成するようにしたものであ
る。

【００１３】そして、本発明の別の製造方法は第１の半
導体層上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜にストライプ状
の開口パターンを形成した後、第２の半導体層との間に
ショットキー障壁を形成し得る金属を方向性の少ない成
膜法で堆積させ、さらに方向性のあるドライエッチング
により上部から上記金属をエッチングし、上記絶縁膜の
ストライプ状開口パターンの側面の上記金属を選択的に
残すようにしてショットキー電極を形成するようにした
ものである。

【００１４】

【作用】本発明に係る共鳴トンネル電界効果型トランジ
スタの製造方法は、上述のようになされているので、１
本のショットキー電極からなるゲート電極でソース、ド
レイン間に流れる共鳴トンネル電流を制御することが可
能になり、ゲート容量を小さくすることができ高速動作
化が可能になる。また、１本のゲート電極で同様の特性
が得られるので、製造が容易になる。また、微小なスト
ライプ状開きパターンを１本形成するのみで素子の主要
部分を形成することが可能となったので、リソグラフィ
ー技術に対する負担を軽減することができる。

【００１５】

【００１６】さらに、オーミック電極をエッチングマス
クとして用いるようにしたので、自己整合的にゲート電
極を設けることができる。

【００１７】さらにまた、除去した第１の半導体層側面
に絶縁膜を形成することにより、第２の半導体層の露出
幅を最初に形成した微小ストライプの幅よりさらに微小
な幅にすることができる。リソグラフィー技術に対する
負担を軽減することができる。

【００１８】また、本発明に係る共鳴トンネル電界効果
型トランジスタの別の製造方法では、第１の半導体層上
に形成した絶縁膜に開口を形成し、ショットキー電極と
なる金属を全面に成膜し、上記絶縁膜の開口側面の上記
金属を選択的に残すようにしてエッチングしショットキ
ー電極を形成するようにしたので、二本の非常に近接し
た微小なストライプ状のゲート電極を形成するのが容易
になり特性の向上が図れる。また、多重障壁構造を持っ
た共鳴トンネル電界効果型トランジスタを簡便に製造す
ることができる。

【００１９】

【実施例】実施例１．以下、本発明の実施例を図によっ
て説明する。図１は本発明の一実施例による共鳴トンネ
ル電界効果型トランジスタの断面摸式図であり、電圧を
かけた状態を表している。図において上述の図１４、図
１５と同一符号は同一または相当部分を表すものであ
り、ここで第３の半導体層はアンドープＧａＡｓチャン
ネル層、第２の半導体層はｎ型ＡｌＧａＡｓ層４、第３
の半導体層はｎ型ＧａＡｓキャップ層５である。

【００２０】図２(ａ)〜(ｄ)は本発明の一実施例による
共鳴トンネル電界効果型トランジスタの動作を説明する
ための図であり、図２(ａ)は、図１の素子のｎ型ＧａＡ
ｓキャップ層５が除去されていない領域の層方向でのエ
ネルギーバンド図、図２(ｂ)は、図１の素子のｎ型Ｇａ
Ａｓキャップ層５が除去された領域の層方向での電子に
対するエネルギーバンド図、なお破線は従来例のものを
表している。図２(ｃ)は、ゲート（Ｇ）に電圧が印加さ
れていない場合の、アンドープＧａＡｓチャンネル層２
中のアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層３界面における
電子の走行方向（ソース、ドレイン方向）のエネルギー
バンド図、図２(ｄ)は、ゲート（Ｇ）に正の電圧を印加
した場合のアンドープＧａＡｓチャンネル層２中のアン
ドープＡｌＧａＡｓスペーサ層３界面における電子の走
行方向（ソース、ドレイン方向）のエネルギーバンド図
を摸式的に表したものである。図３は本発明の一実施例
による共鳴トンネル電界効果型トランジスタの特性を摸
式的に表した図である。

【００２１】以下、本実施例による共鳴トンネル電界効
果型トランジスタの動作について説明する。上記のよう
に構成された共鳴トンネル電界効果型トランジスタにお
いても、従来の共鳴トンネル電界効果型トランジスタと
同様に、電子親和力の違いにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
４から、アンドープＧａＡｓチャンネル層２へ電子が供
給され、アンドープＧａＡｓチャンネル層２中のアンド
ープＡｌＧａＡｓスペーサ層３との界面に、電子ガス９
が形成される。また、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ
層３を、従来例と同様に、電子ガス９の移動度を向上さ
せるために設けている。ここで、ショットキー電極８か
らなるゲート（Ｇ）近傍は、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５
が従来例と同様に、除去されているが、本実施例におい
ては、例えば、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層３の
膜厚を１０ｎｍとし、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層４の膜厚とド
ーピング濃度をそれぞれ４０ｎｍと１×１０¹⁸cm^-3と
し、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５の膜厚とドーピング濃度
をそれぞれ５０ｎｍと３×１０¹⁸cm^-3とするなど、アン
ドープＡｌＧａＡｓスペーサ層３、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層
４およびｎ型ＧａＡｓキャップ層５の膜厚やドーピング
濃度を適当に設定することにより、ｎ型ＧａＡｓキャッ
プ層５が除去されていない領域においては、図２(ａ)に
示すように電子ガス９が形成されているが、ｎ型ＧａＡ
ｓキャップ層５が除去された領域では電子ガス９が空乏
化するようにすることができる。そうすると、ゲート
（Ｇ）に電圧が印加されていない場合の、アンドープＧ
ａＡｓチャンネル層２中のアンドープＡｌＧａＡｓスペ
ーサ層３界面における電子の走行方向（ソース、ドレイ
ン方向）のエネルギーバンド図は、摸式的に図２(ｃ)に
示すように表され、電子にとってのポテンシャル障壁が
形成される。

【００２２】次に、ゲート（Ｇ）に正の電圧を印加した
場合の、アンドープＧａＡｓチャンネル層２中のアンド
ープＡｌＧａＡｓスペーサ層３界面における電子の走行
方向（ソース、ドレイン方向）のエネルギーバンド図
は、摸式的に図２(ｄ)に示すように表され、電子にとっ
てのポテンシャル障壁は２つに割れ、ショットキー電極
８の幅が十分狭ければ従来例と同様に、量子準位（１０
ａ，１０ｂ，１０ｃなど）が２つのポテンシャル障壁に
挟まれた井戸領域に形成される。

【００２３】ここで、２つのポテンシャル障壁の幅が狭
くなり、それぞれのポテンシャル障壁を電子はトンネリ
ングにより通り抜けが可能になるように、ｎ型ＧａＡｓ
キャップ層５を除去した領域の両端とショットキー電極
８の間隔を狭くしておけば、従来例と同様に、量子準位
（１０ａ，１０ｂ，１０ｃなど）のエネルギーを持った
電子だけを共鳴的にトンネリングさせることができ、ゲ
ート電圧（Ｖ_GS）を一定にして、ソース、ドレイン間の
電圧（Ｖ_DS）を増加させていくと、従来例の図１７(ａ)
のような特性が得られる。また、ゲート電圧を変化させ
ると、２つのポテンシャル障壁に挟まれた井戸領域のポ
テンシャル高さが変化するので、量子準位１０ａ，１０
ｂ，１０ｃのレベルを変化させることができ、それぞれ
のレベルがフェルミレベルと一致するゲート電圧Ｖ_GS＝
Ｖ_Ga，Ｖ_Gb，Ｖ_Gcで電流（Ｉ_DS）がピークをもつ図３の
ような特性が得られる。この様に、本実施例による共鳴
トンネル電界効果型トランジスタにおいては、一本のシ
ョットキー電極ストライプからなるゲートの電圧で、共
鳴トンネル電流を制御することができる。従ってゲート
容量を小さくすることができ高速動作化が可能になる。
また、１本のゲート電極で同様の特性が得られるので、
製造が容易になる。

【００２４】実施例２．次に、本発明による共鳴トンネ
ル電界効果型トランジスタの製造方法の説明をする。図
４(ａ)〜(ｄ)は図１に示す本発明の共鳴トンネル電界効
果型トランジスタの製造方法の一実施例を説明するため
の断面模式図であり、図において図１４と同一符号は同
一または相当部分を示すものである。

【００２５】まず、図４(ａ)に示すように面方位が（１
００）の半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、分子線エピタキ
シャル成長法などでアンドープＧａＡｓチャンネル層
２、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層３、ｎ型ＡｌＧ
ａＡｓ層４、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５を順次成膜す
る。ここで、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層４およびｎ型ＧａＡｓ
キャップ層５の膜厚やドーピング濃度を、ｎ型ＧａＡｓ
キャップ層５が除去されていない領域においては、図２
(ａ)に示すように電子ガス９が形成されているが、ｎ型
ＧａＡｓキャップ層５が除去されてた領域では、図２
(ｂ)に示すように電子ガス９が空乏化するようにしてお
く。次に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを真空蒸着などで堆積
させ、リフトオフ法などにより図４(ｂ)に示すようにオ
ーミック電極６を形成し、熱アニールすることによって
合金化させ良好なオーミック接触を形成する。次に、電
子ビーム露光用レジスト１１を全面に塗布し、電子ビー
ム露光法で２つのオーミック電極６の間の領域に、微小
なストライプ状の開きパターンを＜０,−１,−１＞方向
に形成する。この電子ビーム露光用レジスト１１のパタ
ーンをエッチングマスクにし、例えばアンモニア水と過
酸化水素水からなるエッチング液で、ｎ型ＧａＡｓキャ
ップ層５を選択的にエッチングする。この時、エッチン
グの異方性（特定の結晶方位面が出てくる性質）により
図４(ｃ)に示すように逆メサ形状にｎ型ＧａＡｓキャッ
プ層５をエッチングすることができる。その後、ショッ
トキー電極８を形成するＴｉ／Ａｕなどの金属を真空蒸
着法などの方向性のある方法で堆積させると、図４(ｄ)
に示すような形状ができる。そして、電子ビーム露光用
レジスト１１を除去すると、電子ビーム露光用レジスト
１１上のＴｉ／Ａｕ８は同時に除去できるので、図１に
示す構造が出来上がる。

【００２６】ここで、図４(ｃ)に示すように幅ｂの一本
の微小なストライプ状の開きパターンを形成するのは、
従来例のように二本の微小なストライプ状の開きパター
ンを非常に近接させて形成するよりも容易である。さら
に、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５を除去した領域の端とシ
ョットキー電極８の端の間隔は、結晶方位面で決まるθ
とｎ型ＧａＡｓキャップ層５の膜厚ａで決められるので
制御性よく素子を製造することができる。

【００２７】実施例３．上記実施例では、ソース、ドレ
インの間にゲートを形成するためにマスク合わせが必要
であり、素子の寄生抵抗が高くなる恐れが合ったが、図
５(ａ)〜(ｄ)の断面模式図に工程順に示す実施例３の製
造方法では、自己整合的にゲートを形成することができ
る。

【００２８】以下、その製造方法について説明する。ま
ず、上記実施例と同様に図４(ａ)に示すような結晶成長
を行う。次に、図５(ａ)のようにオーミック電極６とな
るＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを真空蒸着などで堆積させる。
そして、電子ビーム露光用レジスト１１を全面に塗布
し、電子ビーム露光法で、微小なストライプ状の開きパ
ターンを＜０,−１,−１＞方向に形成する。この電子ビ
ーム露光用レジスト１１のパターンをエッチングマスク
にし、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを図５(ｂ)のようにエッチ
ングする。次に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるオーミ
ック電極６をエッチングマスクにし、例えばアンモニア
水と過酸化水素水からなるエッチング液で、ｎ型ＧａＡ
ｓキャップ層５を選択的にエッチングする。すると図４
(ｃ)と同様にエッチングの異方性により図５(ｃ)に示す
ように、逆メサ形状にｎ型ＧａＡｓキャップ層５をエッ
チングすることができる。その後、熱アニールすること
によって合金化させ良好なオーミック接触を形成する。
最後に、Ｔｉ／Ａｕ８を真空蒸着法などの方向性のある
方法で堆積させると、図５(ｄ)に示すような形状ができ
る。

【００２９】実施例４．上記実施例２、３の製造方法の
場合、エッチングの異方性を利用してｎ型ＧａＡｓキャ
ップ層５を逆メサ形状にエッチングしていたため、特定
の方向のストライプ状のゲート電極の形成にしか適用で
きないが、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５を逆メサ形状にエ
ッチングしなくても制御性よく素子を製造することがで
きる方法を次に説明する。図６(ａ)〜(ｄ)及び図７はこ
の実施例４の製造方法を工程順に示す断面模式図であ
る。

【００３０】まず、実施例２と同様に結晶成長（図４
(ａ)）、オーミック電極６の形成（図４(ｂ)）を行う。
次に、シリコン窒化膜などの絶縁膜１２を図６(ａ)のよ
うに全面に堆積させる。そして、電子ビーム露光用レジ
スト１１を全面に塗布し、電子ビーム露光法で、２つの
オーミック電極６の間の領域に微小なストライプ状の開
きパターンを形成し、この電子ビーム露光用レジスト１
１のパターンをエッチングマスクにし、絶縁膜１２をエ
ッチング、さらに、絶縁膜１２をエッチングマスクに
し、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５を図６(ｂ)のようにエッ
チングする。図では、ドライエッチングなどにより垂直
にエッチングした場合について示してあるが、ある角度
を持っていても構わない。ただ、垂直にエッチングした
場合の方が、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５をエッチングす
る幅の制御性は良い。また、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５
は図６(ｂ)のように必ずしも全てエッチングする必要は
なく、下の電子ガスが空乏化する程度にエッチングすれ
ばよい。次に、電子ビーム露光用レジスト１１を除去し
た後、図６(ｃ)に示すように絶縁膜１３をＣＶＤ（Chem
ical Vapor Deposition）法などエッチング側壁にも均
一に膜を堆積させることのできる方法で全面に堆積させ
る。ここで、絶縁膜１３の膜厚は、エッチングしたスト
ライプ幅の１／２以下にする。次に、ドライエッチング
などの方向性のあるエッチング法で絶縁膜１３を上部方
向からエッチングすると、図６(ｄ)に示すように、絶縁
膜１２およびｎ型ＧａＡｓキャップ層５のエッチング側
壁に堆積させた絶縁膜１３を選択的に残すことができ
る。最後に、ソース、ドレインの部分の絶縁膜１２を除
去し、ショットキー電極８をリフトオフ法あるいはエッ
チングなどの通常のパターン形成法で、図７に示すよう
に、エッチングしたストライプ部分を被うように形成す
ると素子が完成する。

【００３１】本実施例においては、電子ガスに対するポ
テンシャル障壁の幅を決める、ｎ型ＧａＡｓキャップ層
５を除去した領域の端とショットキー電極８の端の間隔
は、ｎ型ＧａＡｓキャップ層５のエッチング側壁に堆積
させた絶縁膜１３の膜厚で決まるので、かなり精度よく
制御することができる。また、２つのポテンシャル障壁
の幅に挟まれた量子井戸の幅は、最初にｎ型ＧａＡｓキ
ャップ層５をエッチングにより除去した領域の幅からエ
ッチング側壁に堆積させた絶縁膜１３の膜厚の２倍を差
し引いた大きさになり、最初に電子ビーム露光により形
成した微小ストライプの幅よりさらに微小な幅にするこ
とができる。リソグラフィー技術に対する負担を軽減す
ることができる。

【００３２】また、本実施例においても実施例３の方法
を適用すれば、ソース、ドレインに対してゲートを自己
整合的に形成することができる。

【００３３】実施例５．次に、従来例のような共鳴トン
ネル電界効果型トランジスタを製造するために必要な、
非常に幅の狭い２本のショットキー電極８を非常に近接
させて形成する方法として、従来例のように電子ビーム
露光などで非常に近接させた非常に幅の狭いストライプ
パターンを形成しなくても、幅の狭いストライプパター
ンを１本形成するだけで、非常に幅の狭い２本のショッ
トキー電極８を非常に近接させて形成することができる
方法を説明する。図８(ａ)〜(ｄ)はこの実施例５の製造
方法を工程順に示す断面模式図である。

【００３４】まず、従来例と同様に結晶成長（図１４
(ａ)）、オーミック電極６の形成（図１４(ｂ)）を行
う。次に、シリコン窒化膜などの絶縁膜１２を全面に堆
積させ、そして、電子ビーム露光用レジスト１１を全面
に塗布し、電子ビーム露光法で、２つのオーミック電極
６の間の領域に微小なストライプ状の開きパターンを形
成し、この電子ビーム露光用レジスト１１のパターンを
エッチングマスクにし、絶縁膜１２を図８(ａ)のように
エッチングする。図では、ドライエッチングなどにより
垂直にエッチングした場合について示してあるが、ある
角度を持っていても構わない。ただ、垂直にエッチング
した場合の方が、絶縁膜１２をエッチングする幅の制御
性は良い。次に、電子ビーム露光用レジスト１１を除去
した後、図８(ｂ)に示すようにショットキー電極８をＣ
ＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などエッチング
側壁にも均一に膜を堆積させることのできる方法で全面
に堆積させる。ここで、ショットキー電極８の膜厚は、
エッチングしたストライプ幅の１／２以下にする。次
に、ドライエッチングなどの方向性のあるエッチング法
でショットキー電極８を上部方向からエッチングする
と、図８(ｃ)に示すように、絶縁膜１２のエッチング側
壁に堆積させたショットキー電極８を選択的に残すこと
ができる。最後に、ソース、ドレインの部分の絶縁膜１
２を通常のパターン形成法で、除去すると素子が図８
(ｄ)のように完成する。

【００３５】本実施例においては、電子ガスに対するポ
テンシャル障壁の幅を決める、二本のショットキー電極
８の幅は、絶縁膜１２のエッチング側壁に堆積させたシ
ョットキー電極８の膜厚で決まるので、かなり精度よく
制御することができる。また、２つのポテンシャル障壁
の幅に挟まれた量子井戸の幅は、最初に絶縁膜１２をエ
ッチングにより除去した領域の幅からエッチング側壁に
堆積させたショットキー電極８の膜厚の２倍を差し引い
た大きさになり、最初に電子ビーム露光により形成した
微小ストライプの幅よりさらに微小な幅にすることがで
きる。例えば、従来例の場合、二本のショットキー電極
８の幅を８０ｎｍ、その間隔を１００ｎｍとしていた
が、本実施例では、８０ｎｍの微小ストライプを一本電
子ビーム露光により形成できるとすると、膜厚が２０ｎ
ｍのショットキー電極８を形成すれば、幅が２０ｎｍの
ショットキー電極８を４０ｎｍの間隔で形成することが
でき、特性の向上を図ることができる。

【００３６】実施例６．実施例２の変形例として、図４
(ｃ)に示すように逆メサ形状にｎ型ＧａＡｓキャップ層
５をエッチングした後、ショットキー電極８となるＴｉ
／Ａｕを真空蒸着法などの方向性のある方法で斜め上方
から堆積させると、図９の断面模式図（ソース、ドレイ
ン部は簡単のため略してある）に示すように、ｎ型Ｇａ
Ａｓキャップ層５をエッチングした領域の中心部からず
らしたところにＴｉ／Ａｕ８を残すことができる。そう
すると、非対称な幅のポテンシャル障壁を持った共鳴ト
ンネル電界効果型トランジスタを製造することができ
る。

【００３７】実施例７．さらに、図９に示すようにショ
ットキー電極８となるＴｉ／Ａｕを真空蒸着法などの方
向性のある方法で斜め上方から堆積させた後、逆方向の
斜め上方から再びＴｉ／Ａｕ８を真空蒸着法などの方向
性のある方法で堆積させると、蒸着を行う方向を適当に
選んでやると、図１０(ａ)の断面模式図に示すようにシ
ョットキー電極８のＴｉ／Ａｕのストライプ構造（Ｇ
１、Ｇ２）を２本近接させて形成させることができる。

【００３８】このとき従来例のように、ｎ型ＧａＡｓキ
ャップ層５をエッチングした領域においても電子ガスが
空乏化しないような半導体結晶構造を用いれば、従来例
と同様に、ショットキー電極８に逆方向電圧を印加し
て、共鳴トンネル電流を制御することができる。一方、
実施例２のように半導体結晶構造をｎ型ＧａＡｓキャッ
プ層５をエッチングした領域においては電子ガスが空乏
化するようにして、ショットキー電極８に順方向電圧を
印加すると、図１０(ｂ)のエネルギーバンド図に示すよ
うに２つの量子井戸ができ、それぞれに量子準位１０
ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄなどが形成された三重障壁
構造を持った共鳴トンネル電界効果型トランジスタを製
造することができる。

【００３９】実施例８．図１１(ａ)(ｂ)は実施例４の変
形例の、この実施例８の製造方法を工程順に示す断面模
式図である。図６(ｄ)に示すように、絶縁膜１２および
ｎ型ＧａＡｓキャップ層５のエッチング側壁に堆積させ
た絶縁膜１３を選択的に残した後で、図１１(ａ)に示す
ようにショットキー電極８をＣＶＤ（Chemical Vapor D
eposition ）法などエッチング側壁にも均一に膜を堆積
させることのできる方法で全面に堆積させる。ここで、
ショットキー電極８の膜厚は、膜を堆積させる前のスト
ライプ状開口部の幅の１／２以下にする。次に、ドライ
エッチングなどの方向性のあるエッチング法でショット
キー電極８を上部方向からエッチングすると、図１１
(ｂ)に示すように、絶縁膜１３の側壁に堆積させたショ
ットキー電極８を選択的に残すことができる。

【００４０】本実施例においても、実施例７と同様に、
従来例のような素子への適用や、三重障壁構造を持った
共鳴トンネル電界効果型トランジスタへの適用が可能で
ある。

【００４１】実施例９．図１２(ａ)〜(ｄ)は実施例５の
変形例の、この実施例８の製造方法を工程順に示す断面
模式図である。まず、図８(ｃ)に示すように、絶縁膜１
２のエッチング側壁に堆積させたショットキー電極８を
選択的に残した後、図１２(ａ)に示すように絶縁膜１３
をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などショッ
トキー電極８側壁にも均一に膜を堆積させることのでき
る方法で全面に堆積させる。ここで、絶縁膜１３の膜厚
は、膜を堆積させる前のストライプ状開口部の幅の１／
２以下にする。次に、ドライエッチングなどの方向性の
あるエッチング法で絶縁膜１３を上部方向からエッチン
グすると、図１２(ｂ)に示すように、ショットキー電極
８の側壁に堆積させた絶縁膜１３を選択的に残すことが
できる。次に、第２のショットキー電極１４をＣＶＤ
（Chemical Vapor Deposition）法など側壁にも均一に
膜を堆積させることのできる方法で全面に堆積させる。
ここで、ショットキー電極１４の膜厚を、膜を堆積させ
る前のストライプ状開口部の幅の１／２以上にすると図
１２(ｃ)に示すように、ストライプ状開口部はショット
キー電極１４で全て埋まる。次に、ドライエッチングな
どの方向性のあるエッチング法で第２のショットキー電
極１４を上部方向からエッチングすると、図１２(ｄ)に
示すように、絶縁膜１３の側壁に堆積させたショットキ
ー電極１４を選択的に残すことができる。

【００４２】本実施例においては以上のように、非常に
幅の狭い３本のショットキー電極を非常に近接させて形
成することができるが、この様な構造の場合、図１３の
エネルギーバンド図に示すように、Ｇ１，Ｇ３に逆方向
電圧を印加し、Ｇ２に順方向電圧を印加すると、Ｇ２で
量子井戸のポテンシャルを制御ができ、量子準位１０
ａ，１０ｂ，１０ｃなどを変化させることができる。さ
らに、従来例のようにゲートが２本の場合は、そのゲー
トに逆方向電圧を印加しすぎると、量子井戸のポテンシ
ャルが上にあがりすぎるため、あまり電圧を印加するこ
とができなかったが、本実施例においてはＧ２に順方向
電圧を印加することにより、量子井戸のポテンシャルが
上にあがるのをおさえることができる。

【００４３】なお、実施例９の方法で、さらに絶縁膜と
ショットキー電極を交互に側壁部に形成していくこと
で、多重障壁構造を持った共鳴トンネル電界効果型トラ
ンジスタを製造することができる。

【００４４】また、上記実施例においては、変調ドープ
構造として、均一にｎ型不純物をドープしたｎ型ＡｌＧ
ａＡｓ層４から、アンドープＧａＡｓチャンネル層２へ
電子が供給され、アンドープＧａＡｓチャンネル層２中
のアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層３界面に、電子ガ
ス９が形成される構造のものを用いていたが、ｎ型不純
物をＡｌＧａＡｓ層の中の特定の面内にのみドープした
電子供給層を持つ、いわゆるデルタドープ構造（プレー
ナドープ構造）を持った変調ドープ構造に本発明を適用
してもよい。

【００４５】また、上記実施例においては、変調ドープ
構造として、電子ガス９が１層だけ形成された構造のも
のを用いていたが、変調ドープした二重量子井戸構造を
持ち電子ガスを２層持ったものに本発明を適用してもよ
い。

【００４６】さらに、上記実施例においては、ショット
キー電極からなるゲートをストライプ状に形成するもの
について示したが、ドット状、あるいはドット状のもの
がマトリックス状に多数配置された構造などへも本発明
を適用することができる。

【００４７】さらにまた、上記実施例では、ＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ系材料を用いた共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタについて説明したが、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧ
ａＡｓ系材料、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系
材料など他の材料系を使用した素子に適用できることは
いうまでもない。

【００４８】

【００４９】

【発明の効果】以上のように本発明の製造方法によれ
ば、基板上に第３の半導体層と、これより電子親和力が
小なるｎ型不純物を含む第２の半導体層と、ｎ型不純物
を含む第１の半導体層とを順に成膜すると共に、上記第
１の半導体層を除去した場合、除去した部分の層方向下
方における上記第３の半導体層の上記第２の半導体層側
界面部分では電子ガスが空乏化するような半導体結晶構
造に構成し、ストライプ状の開口パターンを有するエッ
チングマスクを用い、上記第１の半導体層を異方性エッ
チングにより断面逆メサ形状に選択的に除去して上記第
２の半導体層を露出させ、第２の半導体層との間にショ
ットキー障壁を形成し得る金属を方向性のある成膜法で
上部から堆積させ、上記エッチングマスク上に堆積した
上記金属をリフトオフ法で除去し、露出した上記第２の
半導体層の中心近傍にストライプ状のショットキー電極
を形成するようにしたので、電子ガスに対するポテンシ
ャル障壁のある領域の中心部に、微小なストライプ状開
きパターンを１本形成するのみで素子の主要部分を形成
することが可能となり、リソグラフィー技術に対する負
担を軽減できる効果がある。

【００５０】さらに、オーミック電極に第１の半導体層
を異方性エッチングした場合に逆メサ形状となるように
ストライプ状の開口パターンを形成し、これをエッチン
グマスクとして用いるようにしたので、自己整合的にゲ
ート電極を設けることができる。

【００５１】あるいは、第１の半導体層を除去した後、
第２の半導体層を所定幅露出させて、除去した第１の半
導体層側面に絶縁膜を形成し、露出した第２の半導体層
上にショットキー電極を形成するようにしたので、第２
の半導体層の露出幅を最初に形成した微小ストライプの
幅よりさらに微小な幅にすることができ、リソグラフィ
ー技術に対する負担を軽減することができる。

【００５２】また、本発明の別の製造方法によれば、第
１の半導体層上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜にストラ
イプ状の開口パターンを形成した後、第２の半導体層と
の間にショットキー障壁を形成し得る金属を方向性の少
ない成膜法で堆積させ、さらに方向性のあるドライエッ
チングにより上部から上記金属をエッチングし、上記絶
縁膜のストライプ状開口パターンの側面の上記金属を選
択的に残すようにしてショットキー電極を形成するよう
にしたので、二本の非常に近接した微小なストライプ状
のゲート電極を形成するのが容易になり特性の向上が図
れる。また、多重障壁構造を持った共鳴トンネル電界効
果型トランジスタを簡便に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタを示す断面模式図である。

【図２】本発明の一実施例、図１の共鳴トンネル電界効
果型トランジスタの動作を説明するためのエネルギーバ
ンド図である。

【図３】本発明の一実施例、図１の共鳴トンネル電界効
果型トランジスタの特性図である。

【図４】本発明の実施例２の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタの製造方法を工程順に示す断面模式図であ
る。

【図５】本発明の実施例３の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタの製造方法を工程順に示す断面模式図であ
る。

【図６】本発明の実施例４の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタの製造方法を工程順に示す断面模式図の一部
である。

【図７】本発明の実施例４の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタの製造方法を工程順に示す断面模式図の一部
である。

【図８】本発明の実施例５の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタの製造方法を工程順に示す断面模式図であ
る。

【図９】本発明の実施例６の共鳴トンネル電界効果型ト
ランジスタの製造方法を示す断面模式図である。

【図１０】本発明の実施例７の共鳴トンネル電界効果型
トランジスタの製造方法を示す断面模式図である。

【図１１】本発明の実施例８の共鳴トンネル電界効果型
トランジスタの製造方法を工程順に示す断面模式図であ
る。

【図１２】本発明の実施例９の共鳴トンネル電界効果型
トランジスタの製造方法を工程順に示す断面模式図であ
る。

【図１３】本発明の実施例９の共鳴トンネル電界効果型
トランジスタの動作を説明するためのエネルギーバンド
図である。

【図１４】従来の共鳴トンネル電界効果型トランジスタ
の製造方法を工程順に示す断面模式図である。

【図１５】従来の共鳴トンネル電界効果型トランジスタ
を示す断面模式図である。

【図１６】従来の共鳴トンネル電界効果型トランジスタ
の動作を説明するためのエネルギーバンド図である。

【図１７】従来の共鳴トンネル電界効果型トランジスタ
の動作を説明するための特性図である。

【符号の説明】

１基板２第３の半導体層のアンドープＧａＡｓチャンネル層３アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４第２の半導体層のｎ型ＡｌＧａＡｓ層５第１の半導体層のｎ型ＧａＡｓキャップ層６オーミック電極８，１４ショットキー電極９電子ガス１１エッチングマスクの電子ビーム露光用レジスト１２，１３絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/338 H01L 29/80 H01L 29/778 H01L 29/812

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に第３の半導体層と、これより電
子親和力が小なるｎ型不純物を含む第２の半導体層と、
ｎ型不純物を含む第１の半導体層とを順に成膜すると共
に、上記第１の半導体層を除去した場合、除去した部分
の層方向下方における上記第３の半導体層の上記第２の
半導体層側界面部分では電子ガスが空乏化するような半
導体結晶構造に構成する工程、ストライプ状の開口パタ
ーンを有するエッチングマスクを用い、ゲート領域の上
記第１の半導体層を異方性エッチングにより断面逆メサ
形状に選択的に除去して上記第２の半導体層を露出させ
る工程、上記第２の半導体層との間にショットキー障壁
を形成し得る金属を方向性のある成膜法により上部から
堆積させる工程、及び上記エッチングマスク上に堆積し
た上記金属をリフトオフ法で除去し、露出した上記第２
の半導体層の中心近傍にストライプ状のショットキー電
極を形成する工程を施したことを特徴とする共鳴トンネ
ル電界効果型トランジスタの製造方法。
【請求項２】第１の半導体層上にこれとオーミック接
触を形成し得る金属層を成膜し、この金属膜にストライ
プ状の開口パターンを形成し、この開口パターンを上記
第１の半導体層のエッチングマスクとして用いるように
したことを特徴とする請求項１記載の共鳴トンネル電界
効果型トランジスタの製造方法。
【請求項３】基板上に第３の半導体層と、これより電
子親和力が小なるｎ型不純物を含む第２の半導体層と、
ｎ型不純物を含む第１の半導体層とを順に成膜すると共
に、上記第１の半導体層を除去した場合、除去した部分
の層方向下方における上記第３の半導体層の上記第２の
半導体層側界面部分では電子ガスが空乏化するような半
導体結晶構造に構成する工程、ストライプ状の開口パタ
ーンを有するエッチングマスクを用い、ゲート領域の上
記第１の半導体層を除去して上記第２の半導体層を露出
させる工程、除去した第１の半導体層側面に、上記第２
の半導体層を所定幅露出させて絶縁膜を形成する工程、
及び露出した上記第２の半導体層上にショットキー電極
を形成する工程を施したことを特徴とする共鳴トンネル
電界効果型トランジスタの製造方法。
【請求項４】基板上に第３の半導体層と、これより電
子親和力が小なるｎ型不純物を含む第２の半導体層と、
ｎ型不純物を含む第１の半導体層とを順に成膜する工
程、上記第１の半導体層上にオーミック電極を形成する
工程、及びゲート領域の上記第１の半導体層を除去し、
露出した上記第２の半導体層上にショットキー電極を形
成する工程を施す共鳴トンネル電界効果型トランジスタ
の製造方法において、上記第１の半導体層上に絶縁膜を
形成し、この絶縁膜にストライプ状の開口パターンを形
成した後、上記第２の半導体層との間にショットキー障
壁を形成し得る金属を方向性の少ない成膜法で堆積さ
せ、さらに方向性のあるドライエッチングにより上部か
ら上記金属をエッチングし、上記絶縁膜のストライプ状
開口パターンの側面の上記金属を選択的に残すようにし
てショットキー電極を形成するようにしたことを特徴と
する共鳴トンネル電界効果型トランジスタの製造方法。