JPH0252863B2 - - Google Patents

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JPH0252863B2
JPH0252863B2 JP58082807A JP8280783A JPH0252863B2 JP H0252863 B2 JPH0252863 B2 JP H0252863B2 JP 58082807 A JP58082807 A JP 58082807A JP 8280783 A JP8280783 A JP 8280783A JP H0252863 B2 JPH0252863 B2 JP H0252863B2
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JP58082807A
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JPS59208873A (ja
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Hiroharu Kawai
Ichiro Hase
Kunio Kaneko
Yoshifumi Mori
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/7606Transistor-like structures, e.g. hot electron transistor [HET]; metal base transistor [MBT]

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体装置、特に新規な構成による
ホツトエレクトロントランジスタと抵抗との複合
半導体装置に係わる。
背景技術とその問題点 近年、とみに、超高速データ処理に用いられる
超高速スイツチング素子の要求と共にその開発が
活発となつている。
一方、近年ヘテロ構造薄膜の作制技術が進歩
し、原子層オーダーの制御が可能となつてきたこ
と、また、AlGaAs/GaAs系のヘテロ構造にお
いて、AlGaAsのコンダクシヨンバンドのエネル
ギーは、GaAsのそれより大きく、電子に対して
障壁として作用することを利用して、MoMoM
型HET(Metal Oxide―Metal―Oxide―Metal
型 Hot Electron Trans stor)を、AlGaAs/
GaAs系に適用することが提案され、HETの超高
速素子としての実現性が高まつて来た。この
HETとしては、1980IEDM Technical Digest
P629〜630にその報告がある。
HETを高速論理素子として動作させるために
は、ベース抵抗及びエミツタ―ベース間容量が小
さいことが必要となる。
ベース抵抗については、近年のシミユレーシヨ
ンの結果では、ホツトエレクトロンでは、不純物
散乱のような低エネルギー散乱では、その効果は
小さく、したがつて、高不純物濃度領域でも千数
百Å以上に充分バリステイツク輸送することがで
きるという結果が得られていることから、ベース
の濃度は高く、しかも充分厚く(500Å以上)で
き、このようにすることによつて、ベース抵抗の
低下ははかり得る。
一方、エミツタ―ベース間容量についてみる
に、このエミツタ―ベース間容量は、エミツタバ
リアの厚さをdとし、面積をS、比誘導電率をε
とするとき、s/dεできまる固定値を有するので、 バリアのAlxGa1-xAsのx値、及び厚さによつて
制御できるが、基本的にはベース―エミツタ間の
バリアの面積Sの縮小化をはかる。
第1図は、このHETの基本的構造を示す断面
図で、このHETは、例えば高濃度のn型のGaAs
コレクタ層1上に、n型のAlyGa1-yAs(y=0.3
〜0.25)のコレクタバリア層2が300Å程度の厚
さに形成され、更にこれの上に高濃度のn型の
GaAsのベース層3が500Å程度の厚さに形成さ
れ、これの上にn型のAlxGa1-xAs(x=0.35)の
エミツタ―バリア層4が100Å程度に形成され、
更にこれの上に高濃度n型のGaAsのエミツタ層
5が形成されて成る。6及び7は、絶縁層、8,
9及び10は、夫々エミツタ,ベース及びコレク
タの各層5,3及び1にオーミツクに被着された
エミツタ,ベース及びコレクタの各電極で、E,
B及びCは夫々その端子である。
第1図で示されるようにHETにおいて、各能
動層はすべてn型不純物濃度のn+層でキヤリア
濃度の微少な制御を必要としないものである。ま
た、この場合、ベース層3は、これが500Åの厚
さとされていることによつてベース抵抗の低下は
はかられ、また、これに対する電極の被着も容易
に行うことができる。またエミツタ―ベース間の
バリアの面積も絶縁層6によつて規制される。
第2図は、このHETのコンダクシヨンバンド
のエネルギーモデル図で、第2図―Aは電圧が印
加されない状態を示し、第2図―B中実線(太
線)は、端子E及びC間に所要の電圧VCEを与え
た状態である。また、同図中破線は、端子B及び
E間に例えば、VBE=0.4Vのオン電圧を印加した
状態で、矢印aに示すように、エミツタバリアに
おいて電子eのトンネルが生じ、エミツタ―コレ
クタ間に電流が流れる状態を示したものである。
今、このようなHETによつて論理回路、例え
ばインバーター回路を構成する場合を考えると、
この場合、その高速論理素子HETと負荷抵抗素
子間の配線容量が速度を落す大きな要因となるの
で、この配線線路長はできるだけ短かくすくこと
がスイツチング速度を高める上で必要となる。
発明の目的 本発明は、例えば上述したような高速論理回路
を構成する場合に用いて好適な半導体装置を提供
するものである。
発明の概要 すなわち、本発明においては、例えば上述した
HET構造において、更に他のトンネルバリア層
を設け、例えばこのトンネルバリアによる抵抗を
負荷抵抗とするインバーター回路を構成して前述
した配線容量に基くスイツチング速度の低下を回
避するとか、そのほか種々の機能を奏せしめ得て
多岐にわたる使用態様をとり得るようにしたもの
である。
すなわち、本発明においては、順次隣接する第
1,第2,第3,第4,第5,第6及び第7の各
領域を設ける。第1,第3,第5及び第7の各領
域は、第1導電型で、第2,第4及び第6の各領
域は夫々隣接する領域よりも禁止帯幅が大きく、
トンネルバリア層を形成するものである。そして
第1の領域の多数キヤリアを、第3及び第5の領
域を経て第7領域に移動させるようにバイアスす
る手段を設け、第1〜第5領域によつてホツトエ
レクトロントランジスタを構成し、第6領域によ
つてトンネルバリア抵抗を構成する。
実施例 第3図を参照して本発明の一例を説明する。こ
の例においては、トンネルバリア層による抵抗を
設けた場合で、この場合においても、第1,第
2,第3,第4,第5,第6及び第7の各領域1
1〜17を設ける。例えば高濃度n型のGaAs基
体より成る第7の領域17上に、例えば厚さ600
Åに低濃度n型のAl0.2Ga0.8As層を成長させて第
6の領域16を形成し、これの上に高濃度n型の
GaAs層を例えば500Åの厚さに成長させて、第
5の領域15を形成し、これの上に例えば厚さ
300Å、すなわち共鳴トンネル電流が流れない程
度の低濃度n型のAl0.3Ga0.7As層を成長させて第
4の領域14を形成し、これの上に例えば500Å、
すなわち共鳴準位が存在しない程度の厚さの高濃
度n型のGaAs層を成長させて第3の領域13を
形成し、更に、これの上に例えば、厚さ100Åに
低濃度n型のAl0.35Gs0.65As層を成長させて第2
の領域12を形成し、これの上に高濃度n型の
GaAs層を成長させて第1の領域11を形成す
る。これら第6〜第1の各領域16〜11は夫々
MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapour
Deposition法)、すなわち、例えばトリメチルガ
リウム、アルシン、トリメチルアルミニウムの熱
分解法によつて順次連続的に成長させる。
18,19,20及び21は夫々第1,第3,
第5及び第7の各領域11,13,15及び17
にオーミツク接触をもつて被着された電極で、2
2,23及び24は夫々絶縁層を示す。これら各
電極及び絶縁層は、夫々所要の半導体層に対して
エツチング、イオンミリング等の選択的除去を行
うことによつて夫々所定部にその被着を行う。
この構成による半導体装置は、その第1及び第
7の領域間、従つて電極18及び21の各端子E
及びS間に、第1の領域の多数キヤリア、この例
では電子を第7の領域17に、第3及び第5の領
域13及び15を経て移動させ得る電圧Vccを印
加するバイアス手段を接続する。
このような構成による半導体装置は、第4図に
その等価回路図を示すように、第1の領域11が
エミツタ層、第2の領域12がエミツタバリア
層、第3の領域13がベース層、第4の領域14
がコレクタバリア層、第5の領域15がコレクタ
層として作用するHET素子Tと、第6の領域1
6によるトンネルバリア抵抗より成る負荷抵抗R
とのインバータ回路構成となる。
第5図は、この装置のコンダクシヨンバンドの
エネルギーモデル図で、第5図―Aはその電圧が
印加されない状態を示し、第5図―B中実線(太
線)は、端子E及びS間に上述の電圧Vccを印加
した状態を示し、同図中破線は、この場合に、端
子B及びE間に、例えばVBE=0.4Vのオン電圧を
印加した状態を示す。この場合、第6の領域16
によるトンネルバリア抵抗によつて上述の負荷抵
抗Rが得られる。
このトンネルバリア抵抗について考察する。す
なわち、今、GaAs/AlGaAs系についてみるに、
この場合のこのバリアにおける電流I―電圧V特
性は、バリアの高さ及び幅によつて変化するが、
バリアの幅が600Åとするとき、バリアの高さ
0.46eVで、第6図中曲線25のI―V特性を示
し、バリアの幅1200Å,300Åで夫々曲線26及
び27となり抵抗R=V/Iで定義される抵抗
は、電流依存性を持ち、この構成による抵抗Rは
非線型抵抗となる。すなわち第7図に示す、第3
図及び第4図で説明した本発明装置のインバータ
における出力特性において、そのトンネルバリア
抵抗による負荷曲線は、同図中曲線28に示すよ
うになる。同図中曲線29及び30は、この装置
におけるHET素子のオン及びオフ時の夫々のコ
レクタ電流Ic―エミツタ・コレクタ間電圧VCE
性で、これによつて、2つの論理出力V0及びV1
が得られる。
上述したように、本発明によれば、スイツチン
グトランジスタ、すなわち、例えばHETと一体
に、もう1つのトンネルバリア層を設けて、この
トンネルバリアによる抵抗を構成したので、この
HET素子と抵抗との間には両者を接続するため
の配線が介存されないので、配線抵抗容量等の介
存を回避でき、スイツチング速度の早いインバー
ター回路を構成し得るものである。
尚、上述したと同様の構成をとつて各スイツチ
ング素子、すなわち例えばHETとトンネルバリ
ア抵抗による負荷抵抗とによるインバータが多数
に接続された構造とすることもできる。この場合
の一例を第8図に示し、その等価回路を第9図に
示す。尚、これら第8図及び第9図の、上述した
第3図及び第4図と対応する部分には同一符号を
付して重複説明を省略する。
また、上述した各例では、バリア抵抗上に各コ
レクタ、ベース及びエミツタ層を順次形成する構
成とした場合であるが、これとは逆にエミツタ層
を下層にして順次ベース、エミツタ及び抵抗を形
成する構造とすることもできる。
発明の効果 上述したように本発明によれば、例えば
AlGaAs/GaAs系のHET構造において更にトン
ネルバリア層を設けることによつて多種の新機能
を有する回路素子、或いは集積回路を構成するこ
とができ、冒頭に述べたように例えばインバータ
回路において素子間の配線部を省略することによ
り、これに起因するスイツチング速度の低下を回
避できるなど多くの利益を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はホツトエレクトロントランジスタ基本
的構造を示す略線的拡大断面図、第2図はそのエ
ネルギーモデル図、第3図は本発明による半導体
装置の一例の略線的拡大断面図、第4図はその等
価回路図、第5図はそのエネルギーモデル図、第
6図はその説明に供するI―V特性曲線図、第7
図は出力特性曲線図、第8図は本発明装置の他の
例の略線的断面図、第9図はその等価回路図であ
る。 11〜17は第1〜第7の各領域、18〜21
は電極である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 順次隣接する第1、第2、第3、第4、第
    5、第6及び第7の各領域を有し、上記第1、第
    3、第5及び第7の各領域は、第1導電型で、上
    記第2、第4及び第6の各領域は夫々隣接する領
    域よりも禁止帯幅が大に設定され、 上記第1の領域の多数キヤリアを上記第3及び
    第5の領域を経て上記第7領域に移動させるよう
    にバイアスする手段を有し、 上記第1〜第5領域によつてホツトエレクトロ
    ントランジスタが構成され、 上記第6領域によつてトンネルバリア抵抗が構
    成されて成る半導体装置。
JP8280783A 1983-05-13 1983-05-13 半導体装置 Granted JPS59208873A (ja)

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JPS60253267A (ja) * 1984-05-29 1985-12-13 Toshiba Corp ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタおよびその製造方法
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