JPH0298967A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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に関し、特に超高速動作か可能な半
導体装置に関するものである。

［従来の技術］ 高速動作が可能と考えられている能動半導体装置の１つ
にキャリアのトンネル現象を利用したトンネル・トライ
オード（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｔｒｉｏｄｅ）が提案されてい
る。例えば、チャンと性的（Ｌ、　Ｌ、　Ｃｈａｎｇａ
ｎｄ　Ｅ、　Ｅｓａｋｉ）によりアプライド・フィジッ
クス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌ
ｅｔｔｅｒｓ　　Ｖｏｌ、３１ｐ、　６８７．１９７７
）に報告されている。このデバイスは、エミッタからベ
ースに注入された正孔か、ベース中をトンネル効果によ
り高速で通過するため、ベース走行時間が短い。従って
高速動作に適している。

第３図は従来構造のトンネル・トライオードの模式的断
面図を示したもので、同図において、１は基板、２は高
濃度ｐ型の半導体からなるコレクタコンタクト層、３は
該コレクタコンタクト層と同じｎ型の半導体からなるコ
レクタ層、４は伝導帯の底と充満帯の底のエネルギーが
コレクタ層のものよりそれぞれ低いｎ型の半導体からな
り、エミッタ層からの正孔がトンネルできるように薄い
ベース層、５はコレクタ層と同じ種類の半導体からなる
エミッタ層、６はコレクタ電極、７はベース電極、８は
エミッタ電極である。

この従来構造の動作を、半導体基板１として半絶縁性の
ＩｎＰ、コレクタ層３およびエミッタ層５としてアクセ
プタ濃度が’ｌ　Ｘ　１０１６ｃｍ−３程度のｐ−Ｇａ
ＳｂＡｓ、ベース層４としてドナー濃度が１　Ｘ　１０
１１０１９Ｃで厚さ５０人のｎ−ＩｎＧａＡｓを用いた
場合について、このバンド構造を示す第４図を用いて説
明する。

第４図は第３図のエミッタ層５からコレクタ層３にわた
る、模式的なバンド構造を示したものである。第４図に
おいてＥＣＢは伝導帯の底、ＥＶＢは充満帯の底、Ｅｆ
はフェルミレベルである。

第４図に示すようにエミッタ・コレクタ間に電圧を印加
し、エミッタ層よりコレクタ層のフェルミレベルを高く
しておくと、エミッタ糟５の正孔はベース層４をトンネ
ル効果で扱け、コレクタ層３へ移動する。ベース層の厚
さが５０人と非常に短いために正孔のベース走行Ｈ間は
非常に短い。

エミッタからの正孔のベースへの注入量は、エミッタ・
ベース間電圧により正孔に対する障壁の高さを変えるこ
とによって制御できるため、トランジスタ動作が可能に
なっている。

このように、このデバイスにおいては、エミッタからベ
ースに注入された電子がトンネル効果により高速でベー
ス筈４を通過するため、高速動作が可能となる。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来のトンネル・トライオードでは前述の利点
を有しているにもかかわらず、次のような欠点があり、
実用化されていない。

即ち、その欠点は、トンネル効果により非常に薄いベー
ス層を通過するにもかかわらず、正孔の有効質量が非常
に重いため電子をキャリアに用いている他の電子デバイ
ス（例えばホットエレクトロントランジスタ）に比べて
ベース通過時間は短くならない。また、それぞれの層の
伝導帯と充満帯は同じに一ベクトルで底となっているた
め、ベース中では直接再結合の確率が高く、電流増幅率
が高くならない。

本発明は以上述べたような従来の事情に鑑みてなされた
もので、従来のトンネル・トライオードの欠点を除去し
、超高速動作が可能な半導体装置を提供することを目的
とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、第１の伝導帯と該第１の伝導帯と異なる対称
性の第２の伝導帯とを有し、第２の伝導帯の底のエネル
ギーが第１の伝導帯の底より高いｎ型の第１の半導体か
らなるエミッタ層と、該エミッタ層の第１の伝導帯の底
よりも高いエネルギーの第１の伝導帯の底およびエミッ
タ層の第１の伝導帯の底よりも低いエネルギーの第２の
伝導帯の底を有し、電子がトンネルできる厚さを有する
ｎ型の第２の半導体からなるベース層と、該ベース層の
第１の伝導帯の底よりもエネルギーが低く、第２の伝導
帯の底よりもエネルギーが高い第１の伝導帯の底とベー
ス層の第２の伝導帯の底よりも高いエネルギーの第２の
伝導帯の底を有するｎ型の第３の半導体からなるコレク
タ層とを積層した構造を有することを特徴とする半導体
装置である。

［作用］ 第１図は本発明の詳細な説明するための本発明による半
導体装置の基本的構成を示す模式的断面図である。第１
図において、第３図にあけると同等物については同一番
号を付してその説明を省略する。

同図において、１２は第１の伝導帯と該第１の伝導帯と
異なる対称性の第２の伝導帯とを有し、第２の伝導帯の
底のエネルギーが第１の伝導帯の底より高いｎ型の第１
の半導体からなるエミッタ層、１１は該エミッタ層１２
の第１の伝導帯の底よりも高いエネルギーの第１の伝導
帯の底およびエミッタ層の第１の伝導帯の底よりも低い
エネルギーの第２の伝導帯の底を有し、電子がトンネル
できる厚さでｎ型の第２の半導体からなるベース層、１
０は該ベース層１１の第１の伝導帯の底よりもエネルギ
ーが低く、第２の伝導帯の底よりもエネルギーが高い第
１の伝導帯の底とベース層の第２の伝導帯の底よりも高
いエネルギーの第２の伝導帯の底を有するｎ型の第３の
半導体からなるコレクタ層、９は高濃度のｎ型不純物を
含み、コレクタ層３と同じ半導体からなるコレクタコン
タクト層である。

第２図は上記の如く構成された半導体装置の動作を説明
するためのバンド構造図でおる。第２図において、Ｅ　
ＣＢＩは第１の伝導帯の底であり、Ｅ　ＣＢ２は第１の
伝導帯と対称性の異なる第２の伝導帯の底である。

第２図に示すようにエミッタ・コレクタ間に電圧を印加
し、エミッタ層の第１の伝導帯の底をコレクタ層の第１
の伝導帯の底よりも高くすると、エミッタ層の第１の伝
導帯に存在している電子は第１の伝導帯の底が高いベー
ス層をトンネル効果で通過し、コレクタ層の第１の伝導
帯へ注入される。半導体中の電子の有効質量は非常に小
さいため、ベース層の電子のトンネル通過時間は非常に
小さい。ベース層においてはドナーから放出された電子
はエネルギーの低い第２の伝導帯に存在しているが、エ
ミッタ層の第１の伝導帯から注入される電子は伝導帯の
対称性の違いからベース層の第２の伝導帯には移らない
。エミッタ・ベース間に電圧を印加すると実効的なエミ
ッタ・ベース間の第１の伝導帯の障壁の高さが変化する
ため、エミッタ電流またはコレクタ電流の大きさが変調
され、トランジスタ作用が生じる。

以上述べたように、本発明の構造によれば、エミッタか
らベースに注入された電子はベース層内を短時間に通過
し、またベース層の第２の伝導帯の底に移ってベース電
流に寄与することはほとんどないので、高い電流利得を
得ることができる。

その結果、超高速動作が可能になる。

［実施例］ 次に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

第１図に示す半導体装置を以下のようにして製造した。

結晶成長方法としてはＭＢＥ （）ｆｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）
を用い、ＧａＳｂ基板１上に厚さ０．５卯でドナー濃度
が１×１０１８ＣＩＩｌ−３のｎ−／１ｌｓｂコレクタ
コンタクトｍ９．８６０．５ｘｍテトナー濃度が１ｘ　
１０１７ｃｍ−３（７）ｎ−Ａｌｓｂ：＝＋　Ｉ、ｔク
タ層１０、厚す５０人テｉ’す一１１度が’ｌ　ｘ　１
０１９ｃ＋ｎ−３（７）　ｎ−ＩｎＡｓベース層１１、
厚さ０．５Ｊｔｔｎでドナー濃度が３×１０１１０１７
Ｃのｎ−ＪＳｂエミッタ層１２を順次成長した。電極形
成のためにベース層およびコレクタ層をエツチングによ
り露出させた。コレクタ電極６、ベース電極７およびエ
ミッタ電極８はＡｔ１Ｇｅ／　Ａυを蒸着し、アロイす
ることによって形成した。この構造においては第１の伝
導帯はＸ点であり、第２の伝導帯は「点である。このト
ンネル・トライオードの電流利得として１０が得られ、
ベース通過時間は１０ｆｓ以下であった。

以上の実施例では、半導体材料として＃Ｓｂ／ＩｎＡｓ
系しか示さなかったが、ＭＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系、Ｍ！
Ｓｂ／ＧａＳｂ系等の半導体、その他の各種半導体でも
本発明が適用できることは明らかである。また、上に示
した材料はほぼ格子定数が一致している組合わせである
が、格子定数が異なって歪みが入っている材料でもかま
わない。さらに、第１の伝導帯と第２の伝導帯の組合わ
せとしてＸ点と［点しか示さなかったが、「点と１点や
、１点とＸ点等の組合わせでもよい。

なお、ベース層はｎ型であるが、ドナー不純物を意図的
にドープしなくてもよい。これは、エミッタ層とコレク
タ層のイオン化したドナーによってベース層中には自動
的に電子が誘起されるためである。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の半導体装置においては、
ベース層に注入された電子は第１の伝導帯を走行し、ｋ
−ベクトルの異なる第２の伝導帯に落ちてベース電流と
なることはほとんどないため高い電流利得が１ｑられ、
有効質量の小さな電子をキャリアとして用いているため
超高速動作が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置の基本的構成を示す模式的
断面図、第２図はそのバンド構造図、第３図は従来のト
ンネル・トライオードの模式的断面図、第４図はそのバ
ンド構造図である。 １・・・基板 ２．９・・・コレクタコンタクト層 ３．１０・・・コレクタ層　　　４，１１・・・ベース
層５．１２・・・エミッタ層　　　６・・・コレクタ電
極７・・・ベース電極　　　　　８・・・エミッタ電極
ＥＣＢ・・・伝導帯の底 Ｅ　ＣＢＩ・・・第１の伝導帯の底 Ｅ　ＣＢ２・・・第２の伝導帯の底 Ｅ［・・・フェルミレベル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の伝導帯と該第１の伝導帯と異なる対称性の
   第２の伝導帯とを有し、第２の伝導帯の底のエネルギー
   が第１の伝導帯の底より高いｎ型の第１の半導体からな
   るエミッタ層と、該エミッタ層の第１の伝導帯の底より
   も高いエネルギーの第１の伝導帯の底およびエミッタ層
   の第１の伝導帯の底よりも低いエネルギーの第２の伝導
   帯の底を有し、電子がトンネルできる厚さを有するｎ型
   の第２の半導体からなるベース層と、該ベース層の第１
   の伝導帯の底よりもエネルギーが低く、第２の伝導帯の
   底よりもエネルギーが高い第１の伝導帯の底とベース層
   の第２の伝導帯の底よりも高いエネルギーの第２の伝導
   帯の底を有するｎ型の第３の半導体からなるコレクタ層
   とを積層した構造を有することを特徴とする半導体装置
   。