JP4169553B2 - Resonant tunnel device and semiconductor integrated circuit using the same - Google Patents

Resonant tunnel device and semiconductor integrated circuit using the same Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共鳴トンネル素子およびこれを用いた半導体集積回路に関し、特にGaAs系材料を用いて形成される共鳴トンネル素子およびこれを用いた半導体集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
共鳴トンネルダイオード(Resonant Tunneling Diode;RTD)は、半導体からなる井戸層が、その両側を電子の共鳴トンネル効果を生じさせることができる程度に薄く形成されたポテンシャル障壁層に挟まれた障壁構造を有している。RTDは、負性微分抵抗特性と高速スイッチング特性を持つことから超高速ディジタル回路への応用が期待されている。さらに、このような共鳴トンネル素子構造を利用すれば、共鳴トンネルホットエレクトロントランジスタ(Resonant tunneling Hot Electron Transistor;RHET)のように、回路の集積化に有効で機能的な素子の実現も可能である。
【0003】
40Gbpsで動作するディジタル回路の応用においては、RTDのピーク電流密度が1×105A/cm2程度必要である。しかも、室温以上での高ピーク電流密度においても、RTDの特徴的な特性であるピーク電流/バレー電流比(P/V比)が5〜10程度必要となる。現在では、井戸層にInGaAs、障壁層にAlAsを用いたInP系RTDを、InP系トランジスタ(例えば、High Electron Mobility Transistor;HEMT,Heterojunction Bipolar Transistor;HBT)と組み合わせた単安定双安定遷移論理ゲート(MOnostable-BIstable transition Logic Element;MOBILE)が広く用いられている。
【0004】
図6はMOBILEの回路構成例を示す図である。
この図6に示すMOBILEは、2つのRTD1,RTD2が直列に接続され、そのうちのRTD2にHEMTが並列に接続されて構成されている。RTD2とHEMTの並列素子においては、RTD2を流れる電流とHEMTを流れる電流とが存在し、端子A,B間に流れる電流は、HEMTのゲート電圧(Vg)でコントロールすることが可能である。
【0005】
図7はRTDとHEMTの並列素子における電流−電圧特性を示す図である。図6に示したMOBILEにおいて、RTD2とHEMTの並列素子を流れる電流I(RTD2+HEMT)は負性微分抵抗特性を示し、HEMTのVg変化に伴ってその電流値が変化する。このような特徴を利用すると、RTD2とHEMTの並列素子の電流I(RTD2+HEMT)とRTD1の電流I(RTD1)の大きさの違いによるラッチ動作が可能になる。
【0006】
図8はMOBILEの負荷曲線図であって、(a)はI(RTD2+HEMT)がI(RTD1)よりも大きい場合、(b)はI(RTD2+HEMT)がI(RTD1)よりも小さい場合を示している。ただし、図8では、RTD2とHEMTの並列素子を、「RTD2+HEMT」と示している。
【0007】
I(RTD2+HEMT)と印加電圧Vとの関係およびI(RTD1)と印加電圧Vとの関係において、I(RTD2+HEMT)>I(RTD1)の場合には、MOBILEは、図8(a)に示すように、低い電圧値VLでラッチされるようになる。一方、I(RTD2+HEMT)<I(RTD1)の場合には、MOBILEは、図8(b)に示すように、高い電圧値VHでラッチされるようになる。このようなMOBILEを用い、リターンゼロDFF回路を実現できる。
【0008】
ところで、InP系トランジスタは、その耐圧が、GaAs系トランジスタに比べ相対的に低く、回路設計上のマージンが狭くなってしまうという問題を有している。一方、MOBILEを用いたリターンゼロDFF回路においては、RTDの電流密度が1×105A/cm2程度であれば、組み合わせるトランジスタの電流利得遮断周波数ftは100GHz程度でよい。つまり、これはGaAs系のHEMTやHBTで実現できる値である。集積回路を形成する上で、HEMTやHBTをGaAs系とし、かつ、高電流密度で高性能なRTDを形成できれば、耐圧の面、更にはコストの面においても有利となる。
【0009】
ところが、例えば井戸層にGaAs、障壁層にAlGaAsを用いたGaAs/AlGaAs系、あるいは障壁層をAlAsとしたGaAs/AlAs系のRTDでは、1×104A/cm2を超える高電流密度で5以下といった高いP/V比を得ることが難しくなる。
【0010】
図9はGaAs/AlAs系RTDのエネルギーバンド構造の例を示す図である。
GaAs/AlAs系のRTDは、GaAsの井戸層の両側がAlAsの障壁層で挟まれ、このAlAsの外側にGaAsのスペーサ層が形成された二重障壁構造を有している。このような構造のRTDの場合、図9に示すように、GaAsとAlAsの双方の伝導帯エネルギーEcのΓ点の差△Ec(Γ−Γ)は約1eVと大きくなる。しかし、AlAs障壁層は間接遷移型半導体であり、そのX点がGaAsのEcに対して約0.2eVとわずかに高いエネルギー位置に配置される。そのため、このX点を流れる熱励起電流が余剰電流となり、その結果、バレー電流が増加してP/V比が低くなってしまうようになる。
【0011】
このような問題に対し、従来では、RTDをGaAs系材料を用いて形成する場合には、その井戸層をGaAsに替えてInGaAsとしたり、スペーサ層を同じくInGaAsとした構成にすることが多い(例えば、特許文献1参照。)。これは、井戸層のInGaAsのΓ点と障壁層となるAlAsのX点とのエネルギー差ΔEc(Γ−X)を大きくするためである。
【0012】
【特許文献1】
特開2002−111012号公報(段落番号[0021])
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、井戸層やスペーサ層をGaAsからInGaAsに替える場合には、GaAsとInGaAsの格子定数が一致しないため、その膜厚を転位が発生しない臨界膜厚(例えばIn組成0.2で25nm〜50nm程度)にまで薄くしなければならないという問題点があった。
【0014】
また、井戸層やスペーサ層をInGaAsに替えた場合でも、実際には、InGaAsのΓ点とAlAsのX点とのエネルギー差ΔEc(Γ−X)を、あまり大きくすることができていないのが現状である。
【0015】
図10は井戸層にInGaAsを用いたRTDのエネルギーバンド構造を示す図、図11は井戸層およびスペーサ層にInGaAsを用いたRTDのエネルギーバンド構造を示す図である。
【0016】
まず、井戸層にInGaAsを用いた場合であって、そのIn組成比を0.2とした場合には、図10に示すように、In0.2Ga0.8AsのΓ点とAlAsのX点とのエネルギー差ΔEc(Γ−X)は約0.12eVだけ大きくなり、合計で約0.32eV程度である。すなわち、井戸層をGaAsからInGaAsに替えても、InGaAsのΓ点とAlAsのX点とのエネルギー差ΔEc(Γ−X)は、あまり大きくならない。
【0017】
井戸層、スペーサ層に共にIn組成比0.2のIn0.2Ga0.8Asを用いた場合には、図11に示すように、In0.2Ga0.8AsのΓ点とAlAsのΓ点とのエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)は約1.12eVと大きくなる。しかし、In0.2Ga0.8AsのΓ点とAlAsのX点とのエネルギー差ΔEc(Γ−X)は、図10に示した場合と同じく、合計で約0.32eV程度である。
【0018】
井戸層またはスペーサ層に用いるInGaAsのΓ点とAlAsのX点とのエネルギー差ΔEc(Γ−X)を、これ以上大きくするためには、InGaAsのIn組成を更に増加させる必要がある。しかし、In組成の増加によって格子定数のずれはいっそう大きくなり、それにより臨界膜厚を更に小さくしなければならず、結晶成長が非常に難しくなる。
【0019】
このように、RTDやRHETなどの共鳴トンネル素子の形成、あるいはこれらの共鳴トンネル素子とGaAs系トランジスタとの集積には、更なるブレイクスルーが必要である。
【0020】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、熱励起電流を抑制して高いP/V比を実現するRTDやRHETなどの共鳴トンネル素子およびこれを用いた半導体集積回路を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、図1に示す構成例で実現可能な共鳴トンネル素子が提供される。本発明の共鳴トンネル素子は、第1の半導体からなるスペーサ層と、前記スペーサ層内のキャリアに対して障壁となる障壁層と、前記障壁層で挟まれた第2の半導体からなる井戸層と、を有する障壁構造を備える共鳴トンネル素子において、前記第1の半導体または前記第2の半導体が、GaAsに格子整合するGaInNAsであることを特徴とする。
【0022】
このような共鳴トンネル素子として、図1に例示したようなRTD10が実現される。RTD10における二重障壁構造部13は、Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層13aと、これを両側から挟む第1,第2のAlAs障壁層13b,13cと、この第1,第2のAlAs障壁層13b,13cを更に外側から挟む第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層13d,13eとから構成されている。
【0023】
Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層13aおよび第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層13d,13eに用いているGa0.9In0.10.02As0.98は、GaAsと格子整合する。さらに、GaAsとのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)が、InGaAsとGaAsのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)に比べて大きくなり、AlAsのX点とのエネルギー差ΔEc(Γ−X)も大きい。そのため、第1,第2のAlAs障壁層13b,13cにおいて、そのX点を流れる熱励起電流が抑制されるようになる。
【0024】
また、本発明では、このような構成の共鳴トンネル素子を用いた半導体集積回路が提供される。井戸層やスペーサ層にGaAsに格子整合するGaInNAsを用いて熱励起電流を抑制することのできる共鳴トンネル素子を実現することで、GaAs系トランジスタなどの半導体装置との集積が可能となり、半導体集積回路の形成を低コストで行えるようになる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1はRTDの要部構成例を示す図である。
【0026】
RTD10は、n−GaAsコンタクト層11、第1のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層12、二重障壁構造部13、第2のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層14、n+−InxGa1-xAsコンタクト層15が、順に積層された構造を有している。n−GaAsコンタクト層11およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層15上には、各コンタクト層側からTi/Pt/Auなどが積層されたオーミック電極である下部電極16および上部電極17がそれぞれ形成されている。このRTD10を構成する各層の表面露出部分には、SiONなどのパッシベーション膜18が形成されている。
【0027】
このRTD10の二重障壁構造部13は、Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層13aと、これを両側から挟む第1,第2のAlAs障壁層13b,13cと、この第1,第2のAlAs障壁層13b,13cを更に外側から挟む第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層13d,13eとから構成されている。第1,第2のAlAs障壁層13b,13cは、第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層内のキャリアに対して障壁となる。なお、この障壁層には、一般に、AlxGa1-xAs(Al組成比x=0〜1)を用いることができる。
【0028】
この二重障壁構造部13において、Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層13aは膜厚5nmで、第1,第2のAlAs障壁層13b,13cは共に膜厚1.4nmで、第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層13d,13eは共に膜厚20nmで、それぞれ形成されている。
【0029】
また、このようなRTD10において、n−GaAsコンタクト層11は、膜厚100nm、不純物濃度5×1018cm-3で形成されている。
第1,第2のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層12,14は、共に膜厚50nm、不純物濃度1×1018cm-3で形成されている。ここで、第1のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層12は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0から0.1まで、N組成比yを0から0.02まで、それぞれ徐々に変化させて形成されている。一方、第2のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層14は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0.1から0まで、N組成比yを0.02から0まで、それぞれ徐々に変化させて形成されている。
【0030】
+−InxGa1-xAsコンタクト層15は、膜厚100nm、不純物濃度1×1019cm-3で形成されている。このn+−InxGa1-xAsコンタクト層15は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0から0.7まで、徐々に変化させて形成されている。
【0031】
このようなRTD10の各層の形成には、例えば、有機金属気相成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy;MOVPE)法を用いることができる。この場合、原料には、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、ジメチルヒドラジン、アルシン、ジシランを用いる。
【0032】
例えば、二重障壁構造部13におけるGa0.9In0.10.02As0.98井戸層13aおよび第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層13d,13eの形成は、トリエチルガリウム、トリメチルインジウム、ジメチルヒドラジン、アルシンを原料に用いる。そして、気体状態とした各原料を所定の組成比となるように混合してチャンバへの導入量を調整し、第1のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層12上あるいは第1,第2のAlAs障壁層13b,13c上に、Ga0.9In0.10.02As0.98を形成する。
【0033】
各層の形成において、n−GaAsコンタクト層11およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層15以外の各層の形成は、基板温度が約550℃〜約700℃、好ましくは約650℃〜約700℃の条件で行うようにする。これは、成長温度が低いと、原料となる有機金属ガスの分解が起こりにくくなるため結晶の成長効率が低下し、また、成長温度が高いと、熱による凝集などによって結晶性の悪化などが起こり得るためである。
【0034】
一方、n−GaAsコンタクト層11およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層15の形成は、基板温度が約510℃〜約520℃、好ましくは約510℃の条件で行うようにする。これ以外の層の形成温度(約550℃〜約700℃)よりも低く設定するのは、Siなどの不純物を1019レベルで高濃度にドーピングするのに適しているため、および結晶性の悪化を防止するためである。
【0035】
各層の形成後は、RTD10の形成領域をフォトリソグラフィによりパターニングし、H3PO4/H22系ウェットエッチングによりダイオードメサを形成する。その後、ダイオードメサの表面にSiONなどのパッシベーション膜18を形成する。最後に、パッシベーション膜18の一部をエッチング除去し、n−GaAsコンタクト層11表面に下部電極16、n+−InxGa1-xAsコンタクト層15表面に上部電極17を、それぞれ形成し、RTD10の要部を形成する。
【0036】
なお、RTD10の各層の形成には、MOVPE法のほか、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy;MBE)法や、化学ビームエピタキシー(Chemical Beam Epitaxy;CBE)法なども用いることができる。
【0037】
ここで、RTD10の二重障壁構造部13について、図2および図3を参照してより詳細に述べる。
図2は化合物半導体のエネルギーギャップと格子定数の関係を示す図である。
【0038】
化合物半導体は、その組成によってエネルギーギャップおよび格子定数が変化する。一般に、Nは、化合物半導体中に添加されたときには、その格子定数を小さくしてエネルギーギャップを変化させ、In,Sbは、格子定数を大きくしてエネルギーギャップを小さくする傾向を有している。
【0039】
例えば、GaAsにNを添加すると、GaNAsの格子定数はGaAsよりも小さくなる。それを補償するためにInを添加すれば、GaInNAsをGaAsに格子整合させつつ、そのエネルギーギャップを変えることができるようになる。
【0040】
GaInNAsは、そのIn組成とN組成を制御することにより、GaAsと格子定数が一致する範囲でエネルギーギャップをGaAsより小さくすることが可能な材料として報告されている(「M.Kondow et al.,Jpn.J.Appl.Phys.35(1996)1273」参照)。
【0041】
図3は二重障壁構造部におけるエネルギーバンド構造の例を示す図である。
図1に示した二重障壁構造部13における井戸層およびスペーサ層に用いたGa0.9In0.10.02As0.98は、GaAsに対してΔEcが大きくなるバンドオフセットをとる。
【0042】
GaAsと格子整合するGa0.9In0.10.02As0.98では、図3に示すように、そのΓ点とGaAsのΓ点とのエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)が約0.45eVとなる。この値は、井戸層あるいはスペーサ層にIn0.2Ga0.8Asを用いたときにそのΓ点とGaAsのΓ点とのエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)が約0.12eVであったのに対し、非常に大きくなる。
【0043】
したがって、Ga0.9In0.10.02As0.98のΓ点とAlAsのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)は、GaAsのΓ点とAlAsのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)が約1eVであるのに対し、約1.45eVとなり、より大きな値となる。さらに、GaAsのΓ点とAlAsのX点のエネルギー差ΔEc(Γ−X)は約0.2eVであることから、Ga0.9In0.10.02As0.98のΓ点とAlAsのX点のエネルギー差ΔEc(Γ−X)は約0.65eVとなる。
【0044】
すなわち、図1に示した二重障壁構造部13において、Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層13aまたは第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層13d,13eのΓ点と、第1,第2のAlAs障壁層13b,13cのX点との間のエネルギー差ΔEc(Γ−X)が、約0.65eVとなる。これは、In0.2Ga0.8As/AlAsの二重障壁構造部を有する従来のRTDで約0.32eVであったのに対し、約2倍の大きさである。これにより、熱励起電流を抑制することができ、その結果、RTD10において大きなP/V比を実現することができるようになる。
【0045】
さらに、井戸層またはスペーサ層とするGaInNAsは、InGaAsと異なりGaAsと格子整合するため、その形成に際し、膜厚が制限されることがない。さらに、GaInNAsを用いた場合、通常、井戸層は膜厚5nm程度と非常に薄い膜厚で形成されるので、GaAsと格子整合しなくても、更にIn組成を増加させることも可能になる。
【0046】
このGaInNAsを井戸層やスペーサ層に用いる場合、In0.2Ga0.8Asを用いた場合に得られていたGaAsとのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)である約0.12eVと同程度のエネルギー差ΔEcを得るためには、GaAsとの格子整合条件において、少なくともIn組成3%、N組成0.8%とする必要がある。すなわち、In0.2Ga0.8Asを用いた場合よりも効果を上げようとするのであれば、GaInNAsを、In組成3%以上、N組成0.8%以上とすることが望ましい。
【0047】
一方、GaAsとの格子整合条件下では、In組成20%、N組成7%のGaInNAsとGaAsのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)は、InAsとGaAsのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)である約0.35eVと同程度になる。したがって、用いるGaInNAsは、In組成20%以下、N組成7%以下とすることが望ましい。
【0048】
また、AlAs障壁層に替えてAlGaAs障壁層を形成する場合には、AlGaAsのX点がAl組成0.5付近でΓ点とエネルギーが一致するようになり、Al0.5Ga0.5As障壁層とGaAsスペーサ層との組み合わせでは、それぞれのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)が約0.4eVと小さい。しかし、Al0.5Ga0.5As障壁層にGaInNAsスペーサ層を組み合わせた場合には、それぞれのΓ点のエネルギー差ΔEc(Γ−Γ)を約0.85eVと大きくすることができる。
【0049】
以上説明したように、GaInNAsはRTD10、特にその二重障壁構造部13に好適に用いることができ、熱励起電流を抑制して大きなP/V比を実現するRTD10を形成することができる。これにより、破壊耐圧の高いGaAs系トランジスタと組み合わせた集積回路を低コストで形成することが可能になる。
【0050】
上記の説明では、RTDにGaInNAsを用いた場合について述べたが、そのInの全部または一部をSbに置き換えた組成のGaNAsSbまたはGaInNAsSbを用いてRTDを形成することも可能である。
【0051】
Sbは、図2に示したように、Inと同様、格子定数を大きくしてエネルギーギャップを小さくする傾向を有しており、格子定数を大きくする傾向はInよりも強い。したがって、GaAsにNを添加し、これによって小さくなるGaNAsの格子定数を補償するためにSbを添加する。これにより、GaNAsSbは、GaAsに格子整合しつつ、エネルギーギャップが変えられるようになる。また、InとSbの同時添加により得られるGaInNAsSbは、GaAsに格子整合するとともに、より高濃度にNを含有することが可能である。このように、GaNAsSbおよびGaInNAsSbも、上記GaInNAsと同様に、そのΓ点とAlAsのX点のエネルギー差ΔEc(Γ−X)を大きくすることができる。
【0052】
GaNAsSbまたはGaInNAsSbを用いた場合のRTDの構成および形成方法は、図1に示したGaInNAsを用いたRTD10の場合と同様である。
【0053】
例えば、GaNAsSbを用いたRTDは、n−GaAsコンタクト層、第1のn−GaNAsSbグレーデッド層、二重障壁構造部、第2のn−GaNAsSbグレーデッド層、n+−InxGa1-xAsコンタクト層が、順に積層された構造を有する。n−GaAsコンタクト層およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層上には、オーミック電極として下部電極および上部電極がそれぞれ形成され、このRTDの各層の表面露出部分には、パッシベーション膜が形成される。
【0054】
このRTDの二重障壁構造部は、GaNAsSb井戸層(膜厚5nm)と、これを両側から挟む第1,第2のAlAs障壁層(膜厚各1.4nm)と、この第1,第2のAlAs障壁層を更に外側から挟む第1,第2のGaNAsSbスペーサ層(膜厚各20nm)とから構成される。第1,第2のAlAs障壁層は、第1,第2のGaNAsSbスペーサ層内のキャリアに対して障壁となり、また、障壁層には、一般に、AlxGa1-xAs(Al組成比x=0〜1)を用いることができる。
【0055】
また、第1,第2のn−GaNAsSbグレーデッド層は、膜厚50nm、不純物濃度1×1018cm-3で形成される。n−GaAsコンタクト層およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層は、図1の説明で述べた構成と同じにすることができる。
【0056】
このような構成のRTDの形成は、原料にトリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、ジメチルヒドラジン、アルシン、ジシランのほか、トリメチルアンチモンを用い、MOVPE法により行うことができる。
【0057】
各層の形成において、n−GaAsコンタクト層およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層以外の各層の形成は、基板温度が約550℃〜約700℃、好ましくは約650℃〜約700℃の条件で行う。これは、成長温度が低いことによる結晶成長効率の低下、成長温度が高いことによる結晶性の悪化などを考慮したものである。一方、n−GaAsコンタクト層およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層の形成は、基板温度が約510℃〜約520℃、好ましくは約510℃の条件で行う。これは、不純物の高濃度ドーピングや結晶性の悪化防止などを考慮したものである。
【0058】
各層の形成後は、フォトリソグラフィ、H3PO4/H22系ウェットエッチングによりダイオードメサを形成し、その後、オーミック電極およびパッシベーション膜を形成する。
【0059】
GaInNAsSbを用いたRTDの形成もこれと同様であって、その形成の際にInを添加するようにすればよい。
なお、GaNAsSbまたはGaInNAsSbを用いたRTDの各層の形成においても、MOVPE法のほか、MBE法やCBE法などを用いることができる。
【0060】
次に、RTDと同様の二重障壁構造を有する共鳴トンネル素子であるRHETについて説明する。
図4はRHETの要部構成例を示す図である。
【0061】
RHET20は、n−GaAsコンタクト層21,22、GaAsバリア層23、n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッドベース層24、二重障壁構造部25、n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層26、n+−InxGa1-xAsコンタクト層27が、順に積層された構造を有している。n−GaAsコンタクト層21、n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッドベース層24、n+−InxGa1-xAsコンタクト層27上には、それぞれオーミック電極としてコレクタ電極28、ベース電極29、エミッタ電極30が形成されている。RHET20の各層の表面露出部分には、パッシベーション膜31が形成されている。
【0062】
このRHET20の二重障壁構造部25は、Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層25aと、これを両側から挟む第1,第2のAlAs障壁層25b,25cと、この第1,第2のAlAs障壁層25b,25cを更に外側から挟む第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層25d,25eとから構成されている。第1,第2のAlAs障壁層25b,25cは、第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層25d,25e内のキャリアに対して障壁となり、また、障壁層には、一般に、AlxGa1-xAs(Al組成比x=0〜1)を用いることができる。
【0063】
この二重障壁構造部25において、Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層25aは膜厚5nmで、第1,第2のAlAs障壁層25b,25cは共に膜厚1.4nmで、第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層25d,25eは共に膜厚20nmで、それぞれ形成されている。
【0064】
また、n−GaAsコンタクト層21,22は、膜厚100nm、不純物濃度5×1018cm-3で形成されている。
GaAsバリア層23は、膜厚300nmで形成されている。なお、バリア層には、一般に、AlzGa1-zAs(Al組成比z=0〜1)を用いることができる。さらに、このバリア層には、Ga0.9In0.10.02As0.98スペーサ層よりもIn組成およびN組成を小さくしたGaInNAsを用いることも可能である。
【0065】
n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッドベース層24は、膜厚100nm、不純物濃度5×1018cm-3で形成されている。n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッドベース層24は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0から0.1まで、N組成比yを0から0.02まで、それぞれ徐々に変化させて形成されている。
【0066】
n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層26は、膜厚50nm、不純物濃度1×1018cm-3で形成されている。n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層26は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0.1から0まで、N組成比yを0.02から0まで、それぞれ徐々に変化させて形成されている。
【0067】
+−InxGa1-xAsコンタクト層27は、膜厚100nm、不純物濃度1×1019cm-3で形成されている。n+−InxGa1-xAsコンタクト層27は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0から0.7まで、徐々に変化させて形成されている。
【0068】
このようなRHET20の形成は、原料にトリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、ジメチルヒドラジン、アルシン、ジシランを用い、MOVPE法により行う。
【0069】
各層の形成において、n−GaAsコンタクト層21,22およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層27以外の各層の形成は、基板温度が約550℃〜約700℃、好ましくは約650℃〜約700℃の条件で行う。これは、成長温度が低いことによる結晶成長効率の低下、成長温度が高いことによる結晶性の悪化などを考慮したものである。一方、n−GaAsコンタクト層21,22およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層27の形成は、基板温度が約510℃〜約520℃、好ましくは約510℃の条件で行う。これは、不純物の高濃度ドーピングや結晶性の悪化防止などを考慮したものである。
【0070】
各層の形成後は、まず、フォトリソグラフィによりパターニングし、n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッドベース層24表面までH3PO4/H22系ウェットエッチングを行い、エミッタメサを形成する。さらに、フォトリソグラフィによりパターニングし、n−GaAsコンタクト層21表面までH3PO4/H22系ウェットエッチングを行い、ベースメサを形成する。その後、ダイオードメサの表面にSiONなどのパッシベーション膜18を形成する。最後に、パッシベーション膜18の一部をエッチング除去し、n−GaAsコンタクト層21上にコレクタ電極28、n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッドベース層24上にベース電極29、n+−InxGa1-xAsコンタクト層27上にエミッタ電極30をそれぞれ形成し、RHET20の要部を形成する。
【0071】
このように、RHET20の二重障壁構造部25にGa0.9In0.10.02As0.98を用いることにより、高いP/V比を持つRHETの形成が可能である。
なお、RHET20の各層の形成は、MOVPE法のほか、MBE法やCBE法などを用いることも可能である。
【0072】
次に、RTDをGaAs系トランジスタなどの半導体装置と集積した半導体集積回路について説明する。
図5はRTDとHEMTを備える半導体集積回路の一部の構成例を示す図である。
【0073】
この半導体集積回路40は、GaAs基板41上に形成されたRTD50およびHEMT70を有している。
RTD50では、GaAs基板41上に、GaAsバッファ層51、In0.2Ga0.8Asチャネル層52、n−Al0.3Ga0.7As電子供給層53、In0.49Ga0.51Pエッチストッパ層54が順に積層されている。さらに、RTD50では、このIn0.49Ga0.51Pエッチストッパ層54上に、n−GaAsコンタクト層55、第1のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層56、二重障壁構造部57、第2のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層58、n+−InxGa1-xAsコンタクト層59が、順に積層されている。n−GaAsコンタクト層55およびn+−InxGa1-xAsコンタクト層59上には、それぞれオーミック電極として下部電極60および上部電極61が形成されている。RTD50の各層の表面露出部分には、パッシベーション膜62が形成されている。
【0074】
このRTD50の二重障壁構造部57は、Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層57aと、これを両側から挟む第1,第2のAlAs障壁層57b,57cと、この第1,第2のAlAs障壁層57b,57cを更に外側から挟む第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層57d,57eとから構成されている。第1,第2のAlAs障壁層57b,57cは、第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層57d,57e内のキャリアに対して障壁となり、また、この障壁層には、一般に、AlxGa1-xAs(Al組成比x=0〜1)を用いることができる。
【0075】
HEMT70では、GaAs基板41上に、GaAsバッファ層51、In0.2Ga0.8Asチャネル層52、n−Al0.3Ga0.7As電子供給層53、In0.49Ga0.51Pエッチストッパ層54が順に積層されている。さらに、HEMT70では、このIn0.49Ga0.51Pエッチストッパ層54上に、n−GaAsコンタクト層55が分離して形成され、その間にゲート電極71が形成されている。分離して形成されているn−GaAsコンタクト層55上には、それぞれソース電極72とドレイン電極73が形成されている。HEMT70の各層の表面露出部分およびゲート電極71表面には、パッシベーション膜62が形成されている。
【0076】
このようなRTD50およびHEMT70を備える半導体集積回路40の形成は、原料にトリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、ジメチルヒドラジン、アルシン、ジシランのほか、ホスフィンを用い、MOVPE法により行う。
【0077】
ここで、RTD50およびHEMT70におけるGaAsバッファ層51は、GaAs基板41上に膜厚300nmで形成される。In0.2Ga0.8Asチャネル層52は、GaAsバッファ層51上に膜厚15nmで形成される。n−Al0.3Ga0.7As電子供給層53は、膜厚20nm、不純物濃度2×1018cm-3で形成され、In0.49Ga0.51Pエッチストッパ層54は、膜厚6nmで形成される。n−GaAsコンタクト層55は、膜厚50nm、不純物濃度5×1018cm-3で形成される。
【0078】
RTD50の二重障壁構造部57において、Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層57aは膜厚5nmで、第1,第2のAlAs障壁層57b,57cは膜厚1.4nmで、第1,第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層57d,57eは膜厚20nmで、それぞれ形成される。
【0079】
さらに、RTD50における第1のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層56は、膜厚50nm、不純物濃度5×1018cm-3で形成される。第1のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層56は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0から0.1まで、N組成比yを0から0.02まで、それぞれ徐々に変化させて形成される。
【0080】
第2のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層58は、膜厚50nm、不純物濃度1×1018cm-3で形成される。第2のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層58は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0.1から0まで、N組成比yを0.02から0まで、それぞれ徐々に変化させて形成される。
【0081】
+−InxGa1-xAsコンタクト層59は、膜厚100nm、不純物濃度1×1019cm-3で形成される。n+−InxGa1-xAsコンタクト層59は、その下部側から上部側に向かって、In組成比xを0から0.7まで、徐々に変化させて形成される。
【0082】
RTD50およびHEMT70の各層の形成において、n+−InxGa1-xAsコンタクト層59以外の各層の形成は、基板温度が約550℃〜約700℃、好ましくは約650℃〜約700℃の条件で行う。これは、成長温度が低いことによる結晶成長効率の低下、成長温度が高いことによる結晶性の悪化などを考慮したものである。一方、n+−InxGa1-xAsコンタクト層59の形成は、基板温度が約510℃〜約520℃、好ましくは約510℃の条件で行う。これは、不純物の高濃度ドーピングや結晶性の悪化防止などを考慮したものである。
【0083】
各層の形成後は、フォトリソグラフィによりパターニングし、n−GaAsコンタクト層55の表面までH3PO4/H22系ウェットエッチングを行い、ダイオードメサを形成する。さらに、RTD50側とHEMT70側とにアイソレーションするため、部分的にGaAs基板41表面まで、同じくH3PO4/H22系ウェットエッチングを行う。このアイソレーションは、GaAs系デバイスの場合、エッチングではなく酸素注入で行うことも可能である。
【0084】
次いで、RTD50側のn−GaAsコンタクト層55上、n+−InxGa1-xAsコンタクト層59上に、下部電極60、上部電極61をそれぞれ形成し、HEMT70側のn−GaAsコンタクト層55上に、ソース電極72およびドレイン電極73を形成する。
【0085】
これらの電極の形成後、電子ビームリソグラフィとH3PO4/H22系ウェットエッチングにより、HEMT70側のn−GaAsコンタクト層55を分離し、ゲートリセスを形成する。このウェットエッチングの際、In0.49Ga0.51Pエッチストッパ層54がエッチングストッパとして機能する。
【0086】
次いで、電子ビームリソグラフィと蒸着リフトオフにて、ゲート長0.1μmのゲート電極71を形成する。ゲート長0.1μmでは、ftは100GHz前後である。その後、SiONなどの絶縁膜で表面をパッシベーションした後、配線工程により、RTD50とHEMT70を組み合わせた半導体集積回路40を形成する。これにより、40Gbpsで動作可能なリターンゼロDFF回路が実現できるようになる。
【0087】
また、HEMT70に替えてHBTを形成して半導体集積回路を形成することも可能である。また、上記半導体集積回路40の形成には、MOVPE法のほか、MBE法やCBE法などを用いることもできる。
【0088】
なお、以上の説明では、二重障壁構造の共鳴トンネル素子およびこれを用いた半導体集積回路について述べたが、本発明は、2つの井戸層を持った三重障壁構造などにも勿論適用することができる。
【0089】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、スペーサ層、障壁層、井戸層を有する障壁構造を備えた共鳴トンネル素子において、そのスペーサ層または井戸層をGaInNAsを用いて形成する。これにより、障壁層を流れる熱励起電流が抑制され、P/V比を向上させることができる。
【0090】
さらに、大きなP/V比を実現するRTDの形成により、破壊耐圧の高いGaAs系トランジスタと組み合わせた半導体集積回路を低コストで形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】RTDの要部構成例を示す図である。
【図2】化合物半導体のエネルギーギャップと格子定数の関係を示す図である。
【図3】二重障壁構造部におけるエネルギーバンド構造の例を示す図である。
【図4】RHETの要部構成例を示す図である。
【図5】RTDとHEMTを備える半導体集積回路の一部の構成例を示す図である。
【図6】MOBILEの回路構成例を示す図である。
【図7】RTDとHEMTの並列素子における電流−電圧特性を示す図である。
【図8】MOBILEの負荷曲線図であって、(a)はI(RTD2+HEMT)がI(RTD1)よりも大きい場合、(b)はI(RTD2+HEMT)がI(RTD1)よりも小さい場合を示している。
【図9】GaAs/AlAs系RTDのエネルギーバンド構造の例を示す図である。
【図10】井戸層にInGaAsを用いたRTDのエネルギーバンド構造を示す図である。
【図11】井戸層およびスペーサ層にInGaAsを用いたRTDのエネルギーバンド構造を示す図である。
【符号の説明】
10,50 RTD
11,21,22,55 n−GaAsコンタクト層
12,56 第1のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層
13,25,57 二重障壁構造部
13a,25a,57a Ga0.9In0.10.02As0.98井戸層
13b,25b,57b 第1のAlAs障壁層
13c,25c,57c 第2のAlAs障壁層
13d,25d,57d 第1のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層
13e,25e,57e 第2のGa0.9In0.10.02As0.98スペーサ層
14,58 第2のn−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層
15,27,59 n+−InxGa1-xAsコンタクト層
16,60 下部電極
17,61 上部電極
18,31,62 パッシベーション膜
20 RHET
23,51 GaAsバリア層
24 n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッドベース層
26 n−Ga1-xInxyAs1-yグレーデッド層
28 コレクタ電極
29 ベース電極
30 エミッタ電極
40 半導体集積回路
41 GaAs基板
52 In0.2Ga0.8Asチャネル層
53 n−Al0.3Ga0.7As電子供給層
54 In0.49Ga0.51Pエッチストッパ層
71 ゲート電極
72 ソース電極
73 ドレイン電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a resonant tunnel element and a semiconductor integrated circuit using the same, and more particularly to a resonant tunnel element formed using a GaAs-based material and a semiconductor integrated circuit using the same.
[0002]
[Prior art]
A resonant tunneling diode (RTD) has a barrier structure in which a well layer made of a semiconductor is sandwiched between potential barrier layers formed so as to be thin enough to cause resonant tunneling of electrons on both sides. is doing. RTDs are expected to be applied to ultra high-speed digital circuits because they have negative differential resistance characteristics and high-speed switching characteristics. Further, by using such a resonant tunneling element structure, it is possible to realize an effective and functional element for circuit integration, such as a resonant tunneling hot electron transistor (RHET).
[0003]
For digital circuit applications operating at 40 Gbps, the peak current density of the RTD is 1 × 10 Five A / cm 2 A degree is necessary. Moreover, even at high peak current densities above room temperature, a peak current / valley current ratio (P / V ratio), which is a characteristic characteristic of RTD, is required to be about 5 to 10. At present, a monostable bistable transition logic gate in which an InP-based RTD using InGaAs as a well layer and AlAs as a barrier layer is combined with an InP-based transistor (for example, High Electron Mobility Transistor; HEMT, Heterojunction Bipolar Transistor; HBT) MOnostable-BIstable transition logic element (MOBILE) is widely used.
[0004]
FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration example of MOBILE.
The MOBILE shown in FIG. 6 is configured by connecting two RTDs 1 and RTD2 in series, and connecting an HEMT to the RTD2 in parallel. In the parallel element of RTD2 and HEMT, there is a current flowing through RTD2 and a current flowing through HEMT, and the current flowing between terminals A and B can be controlled by the gate voltage (Vg) of HEMT.
[0005]
FIG. 7 is a diagram showing current-voltage characteristics in a parallel element of RTD and HEMT. In the MOBILE shown in FIG. 6, the current I (RTD2 + HEMT) flowing through the parallel element of RTD2 and HEMT shows a negative differential resistance characteristic, and the current value changes with a change in VMT of HEMT. By utilizing such a feature, it becomes possible to perform a latch operation based on a difference in magnitude between the current I (RTD2 + HEMT) of the RTD2 and HEMT parallel elements and the current I (RTD1) of the RTD1.
[0006]
FIG. 8 is a load curve diagram of MOBILE, where (a) shows that I (RTD2 + HEMT) is larger than I (RTD1), and (b) shows that I (RTD2 + HEMT) is smaller than I (RTD1). Shows the case. However, in FIG. 8, the parallel element of RTD2 and HEMT is indicated as “RTD2 + HEMT”.
[0007]
When I (RTD2 + HEMT)> I (RTD1) in the relationship between I (RTD2 + HEMT) and the applied voltage V and in the relationship between I (RTD1) and the applied voltage V, MOBILE is shown in FIG. ) As shown in the lower voltage value V L It will be latched by. On the other hand, when I (RTD2 + HEMT) <I (RTD1), MOBILE has a high voltage value V as shown in FIG. H It will be latched by. Using such MOBILE, a return zero DFF circuit can be realized.
[0008]
Incidentally, the InP-based transistor has a problem that its withstand voltage is relatively lower than that of the GaAs-based transistor, and a margin in circuit design becomes narrow. On the other hand, in the return zero DFF circuit using MOBILE, the RTD current density is 1 × 10 5. Five A / cm 2 If so, the current gain cutoff frequency f of the transistor to be combined t May be about 100 GHz. That is, this is a value that can be realized by a GaAs HEMT or HBT. In forming an integrated circuit, if HEMT or HBT is made of GaAs and a high-performance RTD with a high current density can be formed, it is advantageous in terms of breakdown voltage and further in terms of cost.
[0009]
However, for example, in a GaAs / AlGaAs-based RTD in which the well layer is made of GaAs and the barrier layer is made of AlGaAs, or the barrier layer is made of AlAs, a 1 × 10 Four A / cm 2 It becomes difficult to obtain a high P / V ratio of 5 or less at a high current density exceeding 1.
[0010]
FIG. 9 is a diagram showing an example of an energy band structure of a GaAs / AlAs RTD.
The GaAs / AlAs RTD has a double barrier structure in which both sides of a GaAs well layer are sandwiched between AlAs barrier layers and a GaAs spacer layer is formed outside the AlAs. In the case of an RTD having such a structure, as shown in FIG. 9, the difference ΔEc (Γ−Γ) between the Γ points of the conduction band energies Ec of GaAs and AlAs is as large as about 1 eV. However, the AlAs barrier layer is an indirect transition semiconductor, and its X point is arranged at an energy position slightly higher than about 0.2 eV with respect to Ec of GaAs. Therefore, the thermal excitation current flowing through the point X becomes a surplus current, and as a result, the valley current increases and the P / V ratio becomes low.
[0011]
In order to deal with such problems, conventionally, when the RTD is formed using a GaAs-based material, the well layer is often replaced with GaAs and InGaAs, or the spacer layer is also configured with InGaAs. For example, see Patent Document 1.) This is to increase the energy difference ΔEc (Γ−X) between the InGaAs Γ point of the well layer and the AlAs X point of the barrier layer.
[0012]
[Patent Document 1]
JP 2002-1111012 (paragraph number [0021])
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the well layer or the spacer layer is changed from GaAs to InGaAs, the lattice constants of GaAs and InGaAs do not match, so that the film thickness is a critical film thickness at which dislocation does not occur (for example, 25 nm to 50 nm with an In composition of 0.2). There was a problem that it was necessary to make it thin.
[0014]
Even when the well layer or the spacer layer is replaced with InGaAs, the energy difference ΔEc (Γ−X) between the InGaAs Γ point and the AlAs X point cannot actually be increased so much. Currently.
[0015]
FIG. 10 is a diagram showing an RTD energy band structure using InGaAs for the well layer, and FIG. 11 is a diagram showing an RTD energy band structure using InGaAs for the well layer and the spacer layer.
[0016]
First, when InGaAs is used for the well layer and the In composition ratio is 0.2, as shown in FIG. 0.2 Ga 0.8 The energy difference ΔEc (Γ−X) between the As Γ point and the AlAs X point increases by about 0.12 eV, and is about 0.32 eV in total. That is, even if the well layer is changed from GaAs to InGaAs, the energy difference ΔEc (Γ−X) between the Γ point of InGaAs and the X point of AlAs is not so large.
[0017]
In well ratio and spacer layer both have In composition ratio of 0.2 0.2 Ga 0.8 When As is used, as shown in FIG. 0.2 Ga 0.8 The energy difference ΔEc (Γ−Γ) between the Γ point of As and the Γ point of AlAs increases to about 1.12 eV. But In 0.2 Ga 0.8 The energy difference ΔEc (Γ−X) between the Γ point of As and the X point of AlAs is about 0.32 eV in total as in the case shown in FIG.
[0018]
In order to further increase the energy difference ΔEc (Γ−X) between the Γ point of InGaAs used for the well layer or the spacer layer and the X point of AlAs, it is necessary to further increase the In composition of InGaAs. However, the increase in In composition further increases the deviation of the lattice constant, which makes it necessary to further reduce the critical film thickness, which makes crystal growth very difficult.
[0019]
Thus, further breakthrough is required for the formation of resonant tunneling elements such as RTD and RHET or the integration of these resonant tunneling elements and GaAs transistors.
[0020]
The present invention has been made in view of these points, and provides a resonant tunneling element such as RTD or RHET that suppresses a thermal excitation current and realizes a high P / V ratio, and a semiconductor integrated circuit using the resonant tunneling element. For the purpose.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a resonant tunneling element that can be realized by the configuration example shown in FIG. The resonant tunnel element of the present invention includes a spacer layer made of a first semiconductor, a barrier layer that becomes a barrier against carriers in the spacer layer, and a well layer made of a second semiconductor sandwiched between the barrier layers. In the resonant tunneling device having a barrier structure including: the first semiconductor or the second semiconductor is Lattice matched to GaAs It is GaInNAs.
[0022]
As such a resonant tunneling element, the RTD 10 illustrated in FIG. 1 is realized. Double barrier structure 13 in RTD 10 is Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The well layer 13a, the first and second AlAs barrier layers 13b and 13c sandwiching the well layer 13 from both sides, and the first and second GaAs sandwiching the first and second AlAs barrier layers 13b and 13c from the outside. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 It is composed of spacer layers 13d and 13e.
[0023]
Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Well layer 13a and first and second Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Ga used for the spacer layers 13d and 13e 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Is lattice matched to GaAs. Further, the energy difference ΔEc (Γ−Γ) at the Γ point with GaAs is larger than the energy difference ΔEc (Γ−Γ) at the Γ point between InGaAs and GaAs, and the energy difference ΔEc (Γ with the X point in AlAs). -X) is also large. Therefore, in the first and second AlAs barrier layers 13b and 13c, the thermal excitation current flowing through the point X is suppressed.
[0024]
The present invention also provides a semiconductor integrated circuit using the resonant tunneling device having such a configuration. For well layers and spacer layers Lattice matched to GaAs By realizing a resonant tunneling element that can suppress thermal excitation current using GaInNAs, it is possible to integrate with a semiconductor device such as a GaAs transistor, and to form a semiconductor integrated circuit at low cost.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating an exemplary configuration of a main part of an RTD.
[0026]
The RTD 10 includes an n-GaAs contact layer 11 and a first n-Ga. 1-x In x N y As 1-y Graded layer 12, double barrier structure 13, second n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded layer 14, n + -In x Ga 1-x The As contact layer 15 has a structure in which layers are sequentially stacked. n-GaAs contact layer 11 and n + -In x Ga 1-x On the As contact layer 15, a lower electrode 16 and an upper electrode 17, which are ohmic electrodes in which Ti / Pt / Au or the like are laminated, are formed from each contact layer side. A passivation film 18 made of SiON or the like is formed on the exposed surface of each layer constituting the RTD 10.
[0027]
The RTD 10 double barrier structure 13 is made of Ga. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The well layer 13a, the first and second AlAs barrier layers 13b and 13c sandwiching the well layer 13 from both sides, and the first and second GaAs sandwiching the first and second AlAs barrier layers 13b and 13c from the outside. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 It is composed of spacer layers 13d and 13e. The first and second AlAs barrier layers 13b and 13c are formed of the first and second GaAs. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 It serves as a barrier against carriers in the spacer layer. This barrier layer is generally made of Al. x Ga 1-x As (Al composition ratio x = 0 to 1) can be used.
[0028]
In this double barrier structure 13, Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The well layer 13a is 5 nm thick, the first and second AlAs barrier layers 13b and 13c are both 1.4 nm thick, and the first and second GaAs. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The spacer layers 13d and 13e are each formed with a film thickness of 20 nm.
[0029]
In such an RTD 10, the n-GaAs contact layer 11 has a film thickness of 100 nm and an impurity concentration of 5 × 10. 18 cm -3 It is formed with.
First and second n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded layers 12 and 14 both have a film thickness of 50 nm and an impurity concentration of 1 × 10. 18 cm -3 It is formed with. Here, the first n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded layer 12 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0 to 0.1 and the N composition ratio y from 0 to 0.02 from the lower side toward the upper side. . On the other hand, the second n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded layer 14 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0.1 to 0 and the N composition ratio y from 0.02 to 0 from the lower side toward the upper side. .
[0030]
n + -In x Ga 1-x The As contact layer 15 has a film thickness of 100 nm and an impurity concentration of 1 × 10. 19 cm -3 It is formed with. This n + -In x Ga 1-x The As contact layer 15 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0 to 0.7 from the lower side toward the upper side.
[0031]
For forming each layer of the RTD 10, for example, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method can be used. In this case, triethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, dimethylhydrazine, arsine, and disilane are used as raw materials.
[0032]
For example, Ga in the double barrier structure 13 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Well layer 13a and first and second Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The spacer layers 13d and 13e are formed using triethylgallium, trimethylindium, dimethylhydrazine, and arsine as raw materials. And each raw material made into a gaseous state is mixed so that it may become a predetermined composition ratio, the amount of introduction | transduction to a chamber is adjusted, 1st n-Ga 1-x In x N y As 1-y On the graded layer 12 or on the first and second AlAs barrier layers 13b and 13c, Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Form.
[0033]
In the formation of each layer, the n-GaAs contact layer 11 and n + -In x Ga 1-x Formation of each layer other than the As contact layer 15 is performed under conditions where the substrate temperature is about 550 ° C. to about 700 ° C., preferably about 650 ° C. to about 700 ° C. This is because if the growth temperature is low, decomposition of the organic metal gas that is a raw material is difficult to occur, so that the crystal growth efficiency is lowered.If the growth temperature is high, crystallinity is deteriorated due to aggregation due to heat. To get.
[0034]
On the other hand, n-GaAs contact layer 11 and n + -In x Ga 1-x The As contact layer 15 is formed under conditions where the substrate temperature is about 510 ° C. to about 520 ° C., preferably about 510 ° C. The temperature lower than the formation temperature of other layers (about 550 ° C. to about 700 ° C.) is set to 10 impurities such as Si. 19 This is because it is suitable for doping at a high concentration at a level and to prevent deterioration of crystallinity.
[0035]
After the formation of each layer, the RTD 10 formation region is patterned by photolithography, and H Three PO Four / H 2 O 2 A diode mesa is formed by system wet etching. Thereafter, a passivation film 18 such as SiON is formed on the surface of the diode mesa. Finally, a part of the passivation film 18 is removed by etching, and the lower electrode 16, n is formed on the surface of the n-GaAs contact layer 11. + -In x Ga 1-x An upper electrode 17 is formed on the surface of the As contact layer 15 to form a main part of the RTD 10.
[0036]
In addition to the MOVPE method, each layer of the RTD 10 can be formed by a molecular beam epitaxy (MBE) method, a chemical beam epitaxy (CBE) method, or the like.
[0037]
Here, the double barrier structure 13 of the RTD 10 will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the energy gap and the lattice constant of a compound semiconductor.
[0038]
A compound semiconductor changes its energy gap and lattice constant depending on its composition. In general, when N is added to a compound semiconductor, the lattice constant is decreased to change the energy gap, and In and Sb tend to increase the lattice constant to reduce the energy gap.
[0039]
For example, when N is added to GaAs, the lattice constant of GaNAs becomes smaller than that of GaAs. If In is added to compensate for this, the energy gap can be changed while lattice-matching GaInNAs to GaAs.
[0040]
GaInNAs has been reported as a material capable of making the energy gap smaller than that of GaAs within the range where the lattice constant coincides with GaAs by controlling its In composition and N composition ("M. Kondow et al.," Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996) 1273 ”).
[0041]
FIG. 3 is a diagram showing an example of the energy band structure in the double barrier structure.
Ga used for the well layer and the spacer layer in the double barrier structure 13 shown in FIG. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Takes a band offset that increases ΔEc with respect to GaAs.
[0042]
Ga lattice-matched with GaAs 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Then, as shown in FIG. 3, the energy difference ΔEc (Γ−Γ) between the Γ point and the GaAs Γ point is about 0.45 eV. This value is the same as In or well layer or spacer layer. 0.2 Ga 0.8 When As is used, the energy difference ΔEc (Γ−Γ) between the Γ point and the GaAs Γ point is about 0.12 eV, which is very large.
[0043]
Therefore, Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The energy difference ΔEc (Γ−Γ) between the Γ point of AlAs and the Γ point of AlAs is about 1.45 eV, whereas the energy difference ΔEc (Γ−Γ) between the Γ point of GaAs and the Γ point of AlAs is about 1 eV. Becomes a larger value. Furthermore, since the energy difference ΔEc (Γ−X) between the Γ point of GaAs and the X point of AlAs is about 0.2 eV, Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The energy difference ΔEc (Γ−X) between the Γ point of AlAs and the X point of AlAs is about 0.65 eV.
[0044]
That is, in the double barrier structure 13 shown in FIG. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Well layer 13a or first and second Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The energy difference ΔEc (Γ−X) between the Γ point of the spacer layers 13d and 13e and the X point of the first and second AlAs barrier layers 13b and 13c is about 0.65 eV. This is In 0.2 Ga 0.8 The size of the conventional RTD having the double barrier structure of As / AlAs is about 0.32 eV, which is about twice as large. As a result, the thermal excitation current can be suppressed, and as a result, a large P / V ratio can be realized in the RTD 10.
[0045]
Furthermore, GaInNAs serving as a well layer or a spacer layer is lattice-matched with GaAs, unlike InGaAs, so that the film thickness is not limited during the formation. Further, when GaInNAs is used, since the well layer is usually formed with a very thin film thickness of about 5 nm, the In composition can be further increased without lattice matching with GaAs.
[0046]
When this GaInNAs is used for a well layer or a spacer layer, In 0.2 Ga 0.8 In order to obtain an energy difference ΔEc of about 0.12 eV that is an energy difference ΔEc (Γ−Γ) of Γ point with GaAs obtained when As is used, the lattice matching condition with GaAs is used. Therefore, it is necessary that at least the In composition is 3% and the N composition is 0.8%. That is, In 0.2 Ga 0.8 If the effect is to be improved as compared with the case where As is used, it is desirable that the GaInNAs is 3% or more of the In composition and 0.8% or more of the N composition.
[0047]
On the other hand, under the lattice matching conditions with GaAs, the energy difference ΔEc (Γ−Γ) between GaInNAs and InGaAs with 20% In composition and 7% N composition and GaAs point is Γ (Γ−Γ). −Γ) which is about 0.35 eV. Therefore, it is desirable that the GaInNAs to be used has an In composition of 20% or less and an N composition of 7% or less.
[0048]
In addition, when an AlGaAs barrier layer is formed instead of the AlAs barrier layer, the energy of the X point of AlGaAs coincides with the Γ point when the Al composition is around 0.5. 0.5 Ga 0.5 In the combination of the As barrier layer and the GaAs spacer layer, the energy difference ΔEc (Γ−Γ) at each Γ point is as small as about 0.4 eV. But Al 0.5 Ga 0.5 When a GaInNAs spacer layer is combined with the As barrier layer, the energy difference ΔEc (Γ−Γ) at each Γ point can be increased to about 0.85 eV.
[0049]
As described above, GaInNAs can be suitably used for the RTD 10, particularly the double barrier structure portion 13, and can form the RTD 10 that realizes a large P / V ratio by suppressing the thermal excitation current. This makes it possible to form an integrated circuit combined with a GaAs transistor having a high breakdown voltage at a low cost.
[0050]
In the above description, the case where GaInNAs is used for the RTD is described. However, it is also possible to form the RTD using GaNASSb or GaInNAsSb having a composition in which all or part of the In is replaced with Sb.
[0051]
As shown in FIG. 2, Sb has a tendency to increase the lattice constant and reduce the energy gap, as in In, and the tendency to increase the lattice constant is stronger than that of In. Therefore, N is added to GaAs, and Sb is added to compensate for the lattice constant of GaNAs, which is reduced by this. As a result, the energy gap of GANASSb can be changed while lattice-matching with GaAs. GaInNAsSb obtained by the simultaneous addition of In and Sb can lattice match with GaAs and contain N at a higher concentration. Thus, similarly to GaInNAs, GaNASSb and GaInNAsSb can increase the energy difference ΔEc (Γ−X) between the Γ point and the X point of AlAs.
[0052]
The configuration and formation method of the RTD when GaNAsSb or GaInNAsSb is used are the same as those of the RTD 10 using GaInNAs shown in FIG.
[0053]
For example, an RTD using GaNAsSb includes an n-GaAs contact layer, a first n-GaNAsSb graded layer, a double barrier structure, a second n-GaNAsSb graded layer, n + -In x Ga 1-x The As contact layer has a structure in which layers are sequentially stacked. n-GaAs contact layer and n + -In x Ga 1-x On the As contact layer, a lower electrode and an upper electrode are formed as ohmic electrodes, respectively, and a passivation film is formed on a surface exposed portion of each layer of the RTD.
[0054]
The RTD double barrier structure includes a GaNAsSb well layer (film thickness 5 nm), first and second AlAs barrier layers (film thickness 1.4 nm each) sandwiching the well layer from both sides, and the first and second layers. The first and second GaNASSb spacer layers (thickness 20 nm each) sandwiching the AlAs barrier layer from the outside. The first and second AlAs barrier layers serve as a barrier against carriers in the first and second GaNAsSb spacer layers, and the barrier layers generally include Al x Ga 1-x As (Al composition ratio x = 0 to 1) can be used.
[0055]
The first and second n-GaNAsSb graded layers have a film thickness of 50 nm and an impurity concentration of 1 × 10. 18 cm -3 Formed with. n-GaAs contact layer and n + -In x Ga 1-x The As contact layer can have the same structure as described in the description of FIG.
[0056]
The RTD having such a structure can be formed by MOVPE using triethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, dimethylhydrazine, arsine, disilane as a raw material and trimethylantimony.
[0057]
In forming each layer, an n-GaAs contact layer and n + -In x Ga 1-x Formation of each layer other than the As contact layer is performed under conditions where the substrate temperature is about 550 ° C. to about 700 ° C., preferably about 650 ° C. to about 700 ° C. This takes into account the decrease in crystal growth efficiency due to the low growth temperature and the deterioration of crystallinity due to the high growth temperature. On the other hand, the n-GaAs contact layer and n + -In x Ga 1-x The As contact layer is formed under conditions where the substrate temperature is about 510 ° C. to about 520 ° C., preferably about 510 ° C. This is in consideration of high concentration doping of impurities and prevention of deterioration of crystallinity.
[0058]
After forming each layer, photolithography, H Three PO Four / H 2 O 2 A diode mesa is formed by system wet etching, and then an ohmic electrode and a passivation film are formed.
[0059]
The RTD formation using GaInNAsSb is similar to this, and In may be added during the formation.
In addition, in forming each layer of RTD using GaNASSb or GaInNAsSb, in addition to the MOVPE method, an MBE method, a CBE method, or the like can be used.
[0060]
Next, RHET, which is a resonant tunnel element having a double barrier structure similar to RTD, will be described.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a main part of the RHET.
[0061]
The RHET 20 includes n-GaAs contact layers 21 and 22, a GaAs barrier layer 23, and n-Ga. 1-x In x N y As 1-y Graded base layer 24, double barrier structure 25, n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded layer 26, n + -In x Ga 1-x The As contact layer 27 has a stacked structure. n-GaAs contact layer 21, n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded base layer 24, n + -In x Ga 1-x On the As contact layer 27, a collector electrode 28, a base electrode 29, and an emitter electrode 30 are formed as ohmic electrodes, respectively. A passivation film 31 is formed on the exposed surface of each layer of the RHET 20.
[0062]
The double barrier structure 25 of the RHET 20 is made of Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 A well layer 25a, first and second AlAs barrier layers 25b and 25c sandwiching the well layer 25a from both sides, and first and second GaAs sandwiching the first and second AlAs barrier layers 25b and 25c from the outside. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 It is composed of spacer layers 25d and 25e. The first and second AlAs barrier layers 25b and 25c are formed of the first and second Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 It becomes a barrier against carriers in the spacer layers 25d and 25e, and the barrier layer is generally made of Al. x Ga 1-x As (Al composition ratio x = 0 to 1) can be used.
[0063]
In this double barrier structure 25, Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The well layer 25a has a thickness of 5 nm, and the first and second AlAs barrier layers 25b and 25c both have a thickness of 1.4 nm. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The spacer layers 25d and 25e are each formed with a film thickness of 20 nm.
[0064]
The n-GaAs contact layers 21 and 22 have a film thickness of 100 nm and an impurity concentration of 5 × 10 5. 18 cm -3 It is formed with.
The GaAs barrier layer 23 is formed with a film thickness of 300 nm. The barrier layer is generally made of Al. z Ga 1-z As (Al composition ratio z = 0 to 1) can be used. Furthermore, this barrier layer includes Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 It is also possible to use GaInNAs having a smaller In composition and N composition than the spacer layer.
[0065]
n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded base layer 24 has a film thickness of 100 nm and an impurity concentration of 5 × 10. 18 cm -3 It is formed with. n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded base layer 24 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0 to 0.1 and the N composition ratio y from 0 to 0.02 from the lower side to the upper side. Yes.
[0066]
n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded layer 26 has a film thickness of 50 nm and an impurity concentration of 1 × 10. 18 cm -3 It is formed with. n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded layer 26 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0.1 to 0 and the N composition ratio y from 0.02 to 0 from the lower side toward the upper side. .
[0067]
n + -In x Ga 1-x The As contact layer 27 has a film thickness of 100 nm and an impurity concentration of 1 × 10. 19 cm -3 It is formed with. n + -In x Ga 1-x The As contact layer 27 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0 to 0.7 from the lower side toward the upper side.
[0068]
Such RHET 20 is formed by MOVPE using triethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, dimethylhydrazine, arsine, and disilane as raw materials.
[0069]
In the formation of each layer, n-GaAs contact layers 21, 22 and n + -In x Ga 1-x Formation of each layer other than the As contact layer 27 is performed under conditions where the substrate temperature is about 550 ° C. to about 700 ° C., preferably about 650 ° C. to about 700 ° C. This takes into account the decrease in crystal growth efficiency due to the low growth temperature and the deterioration of crystallinity due to the high growth temperature. On the other hand, n-GaAs contact layers 21, 22 and n + -In x Ga 1-x The As contact layer 27 is formed at a substrate temperature of about 510 ° C. to about 520 ° C., preferably about 510 ° C. This is in consideration of high concentration doping of impurities and prevention of deterioration of crystallinity.
[0070]
After the formation of each layer, first, patterning is performed by photolithography, and n-Ga. 1-x In x N y As 1-y H to graded base layer 24 surface Three PO Four / H 2 O 2 System wet etching is performed to form an emitter mesa. Further, patterning is performed by photolithography, and the surface of the n-GaAs contact layer 21 is H. Three PO Four / H 2 O 2 System wet etching is performed to form a base mesa. Thereafter, a passivation film 18 such as SiON is formed on the surface of the diode mesa. Finally, a part of the passivation film 18 is removed by etching, and the collector electrode 28 and n-Ga are formed on the n-GaAs contact layer 21. 1-x In x N y As 1-y On the graded base layer 24, a base electrode 29, n + -In x Ga 1-x Emitter electrodes 30 are formed on the As contact layer 27, and the main part of the RHET 20 is formed.
[0071]
In this way, the double barrier structure 25 of RHET 20 has Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Can be used to form RHET having a high P / V ratio.
In addition, formation of each layer of RHET20 can also use MBE method, CBE method, etc. other than MOVPE method.
[0072]
Next, a semiconductor integrated circuit in which the RTD is integrated with a semiconductor device such as a GaAs transistor will be described.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a part of a semiconductor integrated circuit including an RTD and a HEMT.
[0073]
The semiconductor integrated circuit 40 has an RTD 50 and a HEMT 70 formed on a GaAs substrate 41.
In the RTD 50, the GaAs buffer layer 51, In 0.2 Ga 0.8 As channel layer 52, n-Al 0.3 Ga 0.7 As electron supply layer 53, In 0.49 Ga 0.51 A P etch stopper layer 54 is sequentially laminated. Furthermore, in RTD50, this In 0.49 Ga 0.51 On the P etch stopper layer 54, an n-GaAs contact layer 55, a first n-Ga. 1-x In x N y As 1-y Graded layer 56, double barrier structure 57, second n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded layer 58, n + -In x Ga 1-x As contact layers 59 are sequentially stacked. n-GaAs contact layer 55 and n + -In x Ga 1-x On the As contact layer 59, a lower electrode 60 and an upper electrode 61 are formed as ohmic electrodes, respectively. A passivation film 62 is formed on the exposed surface of each layer of the RTD 50.
[0074]
The RTD 50 double barrier structure 57 is made of Ga. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The well layer 57a, the first and second AlAs barrier layers 57b and 57c sandwiching the well from both sides, and the first and second GaAs sandwiching the first and second AlAs barrier layers 57b and 57c from the outside. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The spacer layers 57d and 57e are configured. The first and second AlAs barrier layers 57b and 57c are formed of the first and second GaAs. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 It becomes a barrier against the carriers in the spacer layers 57d and 57e, and this barrier layer is generally made of Al. x Ga 1-x As (Al composition ratio x = 0 to 1) can be used.
[0075]
In the HEMT 70, a GaAs buffer layer 51, In 0.2 Ga 0.8 As channel layer 52, n-Al 0.3 Ga 0.7 As electron supply layer 53, In 0.49 Ga 0.51 A P etch stopper layer 54 is sequentially laminated. Furthermore, in HEMT70, this In 0.49 Ga 0.51 An n-GaAs contact layer 55 is separately formed on the P etch stopper layer 54, and a gate electrode 71 is formed therebetween. A source electrode 72 and a drain electrode 73 are formed on the n-GaAs contact layer 55 formed separately. A passivation film 62 is formed on the exposed surface of each layer of the HEMT 70 and the surface of the gate electrode 71.
[0076]
The semiconductor integrated circuit 40 including the RTD 50 and the HEMT 70 is formed by MOVPE using phosphine in addition to triethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, dimethylhydrazine, arsine, and disilane as raw materials.
[0077]
Here, the GaAs buffer layer 51 in the RTD 50 and the HEMT 70 is formed on the GaAs substrate 41 with a film thickness of 300 nm. In 0.2 Ga 0.8 The As channel layer 52 is formed on the GaAs buffer layer 51 with a film thickness of 15 nm. n-Al 0.3 Ga 0.7 The As electron supply layer 53 has a film thickness of 20 nm and an impurity concentration of 2 × 10. 18 cm -3 Formed of In 0.49 Ga 0.51 The P etch stopper layer 54 is formed with a film thickness of 6 nm. The n-GaAs contact layer 55 has a film thickness of 50 nm and an impurity concentration of 5 × 10. 18 cm -3 Formed with.
[0078]
In the double barrier structure 57 of the RTD 50, Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The well layer 57a has a thickness of 5 nm, the first and second AlAs barrier layers 57b and 57c have a thickness of 1.4 nm, and the first and second GaAs. 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 The spacer layers 57d and 57e are each formed with a film thickness of 20 nm.
[0079]
Further, the first n-Ga in the RTD 50 1-x In x N y As 1-y The graded layer 56 has a film thickness of 50 nm and an impurity concentration of 5 × 10. 18 cm -3 Formed with. First n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded layer 56 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0 to 0.1 and the N composition ratio y from 0 to 0.02 from the lower side toward the upper side.
[0080]
Second n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded layer 58 has a film thickness of 50 nm and an impurity concentration of 1 × 10. 18 cm -3 Formed with. Second n-Ga 1-x In x N y As 1-y The graded layer 58 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0.1 to 0 and the N composition ratio y from 0.02 to 0 from the lower side toward the upper side.
[0081]
n + -In x Ga 1-x The As contact layer 59 has a thickness of 100 nm and an impurity concentration of 1 × 10. 19 cm -3 Formed with. n + -In x Ga 1-x The As contact layer 59 is formed by gradually changing the In composition ratio x from 0 to 0.7 from the lower side toward the upper side.
[0082]
In forming each layer of the RTD 50 and the HEMT 70, n + -In x Ga 1-x Formation of each layer other than the As contact layer 59 is performed under conditions where the substrate temperature is about 550 ° C. to about 700 ° C., preferably about 650 ° C. to about 700 ° C. This takes into account the decrease in crystal growth efficiency due to the low growth temperature and the deterioration of crystallinity due to the high growth temperature. On the other hand, n + -In x Ga 1-x The As contact layer 59 is formed at a substrate temperature of about 510 ° C. to about 520 ° C., preferably about 510 ° C. This is in consideration of high concentration doping of impurities and prevention of deterioration of crystallinity.
[0083]
After the formation of each layer, patterning is performed by photolithography, and the surface of the n-GaAs contact layer 55 is H. Three PO Four / H 2 O 2 System wet etching is performed to form a diode mesa. Furthermore, since the RTD 50 side and the HEMT 70 side are isolated, part of the surface of the GaAs substrate 41 is also H Three PO Four / H 2 O 2 System wet etching is performed. In the case of a GaAs-based device, this isolation can be performed by oxygen implantation instead of etching.
[0084]
Next, on the n-GaAs contact layer 55 on the RTD 50 side, n + -In x Ga 1-x A lower electrode 60 and an upper electrode 61 are formed on the As contact layer 59, and a source electrode 72 and a drain electrode 73 are formed on the n-GaAs contact layer 55 on the HEMT 70 side.
[0085]
After the formation of these electrodes, electron beam lithography and H Three PO Four / H 2 O 2 The n-GaAs contact layer 55 on the HEMT 70 side is separated by system wet etching to form a gate recess. In this wet etching, In 0.49 Ga 0.51 The P etch stopper layer 54 functions as an etching stopper.
[0086]
Next, a gate electrode 71 having a gate length of 0.1 μm is formed by electron beam lithography and vapor deposition lift-off. For a gate length of 0.1 μm, f t Is around 100 GHz. Thereafter, the surface is passivated with an insulating film such as SiON, and then a semiconductor integrated circuit 40 in which the RTD 50 and the HEMT 70 are combined is formed by a wiring process. As a result, a return zero DFF circuit operable at 40 Gbps can be realized.
[0087]
Further, it is possible to form a semiconductor integrated circuit by forming an HBT instead of the HEMT 70. In addition to the MOVPE method, the semiconductor integrated circuit 40 can be formed by MBE method, CBE method, or the like.
[0088]
In the above description, a resonant tunneling element having a double barrier structure and a semiconductor integrated circuit using the same have been described. However, the present invention can of course be applied to a triple barrier structure having two well layers. it can.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, in a resonant tunneling device having a barrier structure having a spacer layer, a barrier layer, and a well layer, the spacer layer or the well layer is formed using GaInNAs. Thereby, the thermal excitation current which flows through a barrier layer is suppressed, and P / V ratio can be improved.
[0090]
Furthermore, by forming an RTD that realizes a large P / V ratio, a semiconductor integrated circuit combined with a GaAs transistor having a high breakdown voltage can be formed at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a main part of an RTD.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an energy gap and a lattice constant of a compound semiconductor.
FIG. 3 is a diagram showing an example of an energy band structure in a double barrier structure.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of a main part of an RHET.
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of a part of a semiconductor integrated circuit including an RTD and a HEMT.
FIG. 6 is a diagram illustrating a circuit configuration example of MOBILE.
FIG. 7 is a diagram showing current-voltage characteristics in an RTD and HEMT parallel element;
FIG. 8 is a load curve diagram of MOBILE, where (a) is greater than I (RTD2 + HEMT) than I (RTD1), and (b) is greater than I (RTD2 + HEMT) than I (RTD1). The small case is shown.
FIG. 9 is a diagram showing an example of an energy band structure of a GaAs / AlAs RTD.
FIG. 10 is a diagram showing an energy band structure of an RTD using InGaAs for a well layer.
FIG. 11 is a diagram showing an energy band structure of RTD using InGaAs for a well layer and a spacer layer.
[Explanation of symbols]
10,50 RTD
11, 21, 22, 55 n-GaAs contact layer
12, 56 1st n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded layer
13, 25, 57 Double barrier structure
13a, 25a, 57a Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Well layer
13b, 25b, 57b First AlAs barrier layer
13c, 25c, 57c Second AlAs barrier layer
13d, 25d, 57d First Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Spacer layer
13e, 25e, 57e Second Ga 0.9 In 0.1 N 0.02 As 0.98 Spacer layer
14, 58 Second n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded layer
15, 27, 59 n + -In x Ga 1-x As contact layer
16, 60 Lower electrode
17, 61 Upper electrode
18, 31, 62 Passivation film
20 RHET
23,51 GaAs barrier layer
24 n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded base layer
26 n-Ga 1-x In x N y As 1-y Graded layer
28 Collector electrode
29 Base electrode
30 Emitter electrode
40 Semiconductor integrated circuit
41 GaAs substrate
52 In 0.2 Ga 0.8 As channel layer
53 n-Al 0.3 Ga 0.7 As electron supply layer
54 In 0.49 Ga 0.51 P etch stopper layer
71 Gate electrode
72 Source electrode
73 Drain electrode

Claims (5)

第1の半導体からなるスペーサ層と、前記スペーサ層内のキャリアに対して障壁となる障壁層と、前記障壁層で挟まれた第2の半導体からなる井戸層と、を有する障壁構造を備える共鳴トンネル素子において、
前記第1の半導体または前記第2の半導体が、GaAsに格子整合するGaInNAsであることを特徴とする共鳴トンネル素子。
A resonance having a barrier structure having a spacer layer made of a first semiconductor, a barrier layer that becomes a barrier against carriers in the spacer layer, and a well layer made of a second semiconductor sandwiched between the barrier layers. In the tunnel element,
The resonant tunneling element, wherein the first semiconductor or the second semiconductor is GaInNAs lattice-matched to GaAs .
前記GaInNAsは、GaAsに格子整合し、In組成が3%以上20%以下、かつ、N組成が0.8%以上7%以下であることを特徴とする請求項1記載の共鳴トンネル素子。  2. The resonant tunneling element according to claim 1, wherein the GaInNAs is lattice-matched to GaAs, has an In composition of 3% to 20%, and an N composition of 0.8% to 7%. 前記障壁層は、AlxGa1-xAsであってAl組成比xを0から1まで変化させていることを特徴とする請求項1記載の共鳴トンネル素子。The resonant tunneling device according to claim 1, wherein the barrier layer is made of Al x Ga 1-x As and the Al composition ratio x is changed from 0 to 1. 第1の半導体からなるスペーサ層と、前記スペーサ層内のキャリアに対して障壁となる障壁層と、前記障壁層で挟まれた第2の半導体からなる井戸層と、を有する障壁構造を有する共鳴トンネル素子を用いた半導体集積回路において、
前記第1の半導体または前記第2の半導体が、GaAsに格子整合するGaInNAsであることを特徴とする共鳴トンネル素子を用いた半導体集積回路。
A resonance having a barrier structure having a spacer layer made of a first semiconductor, a barrier layer that becomes a barrier against carriers in the spacer layer, and a well layer made of a second semiconductor sandwiched between the barrier layers. In a semiconductor integrated circuit using a tunnel element,
A semiconductor integrated circuit using a resonant tunneling element, wherein the first semiconductor or the second semiconductor is GaInNAs lattice-matched to GaAs .
第1の半導体からなるスペーサ層と、前記スペーサ層内のキャリアに対して障壁となる障壁層と、前記障壁層で挟まれた第2の半導体からなる井戸層と、を有する障壁構造を有する共鳴トンネル素子において、
前記第1の半導体または前記第2の半導体が、GaAsに格子整合するGaNAsSbまたはGaAsに格子整合するGaInNAsSbであることを特徴とする共鳴トンネル素子。
A resonance having a barrier structure having a spacer layer made of a first semiconductor, a barrier layer that becomes a barrier against carriers in the spacer layer, and a well layer made of a second semiconductor sandwiched between the barrier layers. In the tunnel element,
The resonant tunneling device, wherein the first semiconductor or the second semiconductor is GaNASSb lattice-matched to GaAs or GaInNAsSb lattice-matched to GaAs .
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