JPH0378788B2 - - Google Patents

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JPH0378788B2
JPH0378788B2 JP19131888A JP19131888A JPH0378788B2 JP H0378788 B2 JPH0378788 B2 JP H0378788B2 JP 19131888 A JP19131888 A JP 19131888A JP 19131888 A JP19131888 A JP 19131888A JP H0378788 B2 JPH0378788 B2 JP H0378788B2
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gaas
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substrate
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Junichi Nishizawa
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は倒立型GaAs静電誘導トランジスタを
用いた半導体集積回路に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor integrated circuit using an inverted GaAs static induction transistor.

倒立型静電誘導トランジスタ(以下SITと称
す。)を用いたI2L型論理回路(以下SITLと称
す。)はすでに本発明者の一人により、特許第
1208034号(特公昭58−38938号)「半導体集積回
路」に開示し、Siで試作され最小遅延時間
3.5nsec、電力遅延積で2fJの値が得られている。
勿論、大規模集積回路(LSI)を構成するには材
料の豊富さ、製造プロセスの完成度等考えると、
今後ともSITLはSiで構成されることになる。し
かし、非常に高速度の論理演算等を要求される場
合には、キヤリアの移動度の大きい材料による
SITLの構成が要求されるようになる。Siを除い
て、比較的安定して良質な材料が得られかつ製造
プロセスもある程度現存し、電子の移動度の大き
い材料はGaAsである。GaAsを用いたI2L回路
は、すでに本発明者のうちの1人により可能性が
示され(特開昭53−18392号)他にもいくつかの
提案がなされている。しかし、インジエクタトラ
ンジスタのエミツタ領域及び駆動用SITのゲート
領域が共通ソース領域と接触していないために、
少数キヤリアの蓄積効果が存在し、高速動作には
限界があつた。
An I 2 L logic circuit (hereinafter referred to as SITL) using an inverted static induction transistor (hereinafter referred to as SIT) has already been patented by one of the inventors of the present invention.
Disclosed in No. 1208034 (Special Publication No. 58-38938) "Semiconductor Integrated Circuits", prototyped with Si and achieved minimum delay time.
A value of 2fJ was obtained for the power delay product at 3.5nsec.
Of course, considering the abundance of materials and the completeness of the manufacturing process to construct large-scale integrated circuits (LSI),
SITL will continue to be composed of Si. However, when extremely high-speed logical operations are required, materials with high carrier mobility may be used.
SITL configuration is now required. With the exception of Si, GaAs is a material that can be obtained relatively stably and of high quality, has some existing manufacturing processes, and has high electron mobility. The possibility of an I 2 L circuit using GaAs has already been shown by one of the inventors of the present invention (Japanese Patent Laid-Open No. 18392/1983), and several other proposals have been made. However, since the emitter region of the injector transistor and the gate region of the driving SIT are not in contact with the common source region,
There was an accumulation effect of minority carriers, and there was a limit to high-speed operation.

本発明の目的は、非常に高速度で動作する
GaAs静電誘導トランジスタ集積回路に関し、信
号の入出力部に、電気←→光の変換素子を持つた集
積回路を提供することにある。
The purpose of the invention is to operate at very high speeds.
The present invention relates to a GaAs electrostatic induction transistor integrated circuit and provides an integrated circuit having an electrical←→optical conversion element in a signal input/output section.

以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図aは、駆動用トランジスタにSIT、負荷
用トランジスタにバイポーラトランジスタを用い
た一入力二出力のI2L型SITLインバータ回路であ
る。
FIG. 1a shows a one-input, two-output I 2 L type SITL inverter circuit using an SIT as a driving transistor and a bipolar transistor as a load transistor.

第1図b,cは第1図aのインバータ回路の一
具体例の平面図及びA−A′線に沿う断面図であ
る。n+領域11は基板、n-領域12はエピタキ
シヤル成長層、表面のn+領域もエピタキシヤル
成長層である。すなわち、n+GaAs基板上に所定
の厚さ及び不純物密度のn-層及びn+層を連続し
てエピタキシヤル成長させたウエハの所定の位置
にp+領域13,14を拡散やイオン注入等によ
り形成した構成になつている。n+領域11は駆
動用SITのソース、n-領域12は、駆動用SITの
チヤンネルや負荷用バイポーラトランジスタ(以
下BJTと称す。)のベースになつている。p+領域
13は、負荷用BJTのエミツタ、p+領域14は
負荷用BJTのコレクタであると同時に駆動用SIT
のゲートである。n+領域15−1,15−2は
それぞれ駆動用SITのドレインである。11′,
13′,14′,15−1′,15−2′はそれぞれ
電極である。p+領域のオーミツク電極はInAg、
AgZn等、n+領域のオーミツク電極はAuGe、
AuGeNi等で形成される。さらにその上に他の金
属を重ねて設けてもよい。16は絶縁層であり、
たとえばスパツタがCVDによるSiO2やSi3N4、ス
パツタによるAl2O3、CVDによるGaOxNy等もし
くはこれらを複数個重ねた複合絶縁膜でもよい。
とくに表面準位の少ない絶縁層が必要なときに
は、GaOxNyでOとNの比の小さいものを表面近
傍に設け、表面から離れるにつれて、OとNの比
を大きくしていけばよい。駆動用SITのチヤンネ
ル幅及び不純物密度は、ゲートとチヤンネル間の
拡散電位だけでチヤンネルが完全にピンチオフ
し、SITが遮断状態にあるように選定される。p+
領域の不純物密度を1018〜1020cm-3程度とすると
空乏層はn-チヤンネル領域側だけにほとんど延
びる。n-領域の不純物密度が1×1014cm-3、1×
1015cm-3のときの拡散電位はGaAsでは、1.2V及
び1.27V程度である。
FIGS. 1b and 1c are a plan view and a sectional view taken along the line A-A' of a specific example of the inverter circuit shown in FIG. 1a. The n + region 11 is a substrate, the n - region 12 is an epitaxially grown layer, and the n + region on the surface is also an epitaxially grown layer. That is, p + regions 13 and 14 are formed at predetermined positions on a wafer in which an n - layer and an n + layer of a predetermined thickness and impurity density are successively epitaxially grown on an n + GaAs substrate by diffusion, ion implantation, etc. It has a configuration formed by. The n + region 11 serves as the source of the drive SIT, and the n - region 12 serves as the channel of the drive SIT and the base of a load bipolar transistor (hereinafter referred to as BJT). The p + region 13 is the emitter of the load BJT, and the p + region 14 is the collector of the load BJT and the drive SIT.
It is the gate of The n + regions 15-1 and 15-2 are the drains of the driving SIT, respectively. 11′,
13', 14', 15-1', and 15-2' are electrodes, respectively. The ohmic electrode in the p + region is InAg,
Ohmic electrodes in the n + region such as AgZn, AuGe, etc.
Made of AuGeNi etc. Furthermore, other metals may be provided in layers thereon. 16 is an insulating layer;
For example, the sputter may be SiO 2 or Si 3 N 4 formed by CVD, Al 2 O 3 formed by sputter, GaO x N y formed by CVD, or a composite insulating film formed by stacking a plurality of these.
In particular, when an insulating layer with few surface states is required, GaO x N y with a small O to N ratio may be provided near the surface, and the O to N ratio may be increased as the distance from the surface increases. The channel width and impurity density of the driving SIT are selected so that the channel is completely pinched off only by the diffusion potential between the gate and the channel, and the SIT is in a cut-off state. p +
When the impurity density of the region is about 10 18 to 10 20 cm -3 , the depletion layer extends almost only to the n -channel region side. The impurity density in the n -region is 1×10 14 cm -3 , 1×
The diffusion potential at 10 15 cm -3 is about 1.2V and 1.27V in GaAs.

従つて、チヤンネルの不純物密度をたとえば1
×1014cm-3、1×1015cm-3とすれば、チヤンネル
幅はそれぞれ少なくとも5.7μm、1.8μm程度以下
にすれば、零ゲートバイアスで遮断状態にある。
すなわちノーマリオフSITが実現される。不純物
密度NDチヤンネル幅2aとすると、ND(2a)2
2.5×1015cm-3以下になるように選べばよい。ただ
し、2aはμm単位である。ソース・ドレイン間長
さが短くなるにつれて、ND(2a)2の値は上述した
値より次第に小さくする必要がある。ソース・ド
レイン間隔lがチヤンネル幅2aにくらべて短く
なり過ぎると、如何に不純物密度を低くしても、
遮断状態を実現できなくなる。ある程度のドレイ
ン電圧が印加されても電流が流れないように、あ
る程度の高さの電位障壁が生じているためには、
l/2aは少なくとも0.5より大きくなければなら
ない。p+領域13及び14の間隔は、エミツタ
から注入されたホールがベース内で再結合により
消滅しない程度の長さにすることが望ましい。す
なわち、空乏層とならないで、電子が存在する領
域の長さが、ホールの拡散距離以下になるように
することが望ましい。GaAs中におけるホールの
拡散距離ldは、例えばホール移動度400cm2/V・
sec、寿命時間10nsecとすれば、3μm程度である。
したがつて、p+領域13と14の間隔は、 程度もしくはそれ以下に選定される。ただし、
NDはn-領域の不純物密度eは単位電荷、εは誘
導率、ldは拡散長である。
Therefore, if the impurity density of the channel is set to, for example, 1
×10 14 cm -3 and 1 × 10 15 cm -3 , if the channel width is at least about 5.7 μm and 1.8 μm or less, the cutoff state is achieved at zero gate bias.
In other words, normally-off SIT is realized. If the impurity density N D channel width is 2a, then N D (2a) 2 is
It should be selected so that it is 2.5×10 15 cm -3 or less. However, 2a is in μm. As the source-drain length becomes shorter, the value of N D (2a) 2 needs to be gradually smaller than the above-mentioned value. If the source-drain distance l becomes too short compared to the channel width 2a, no matter how low the impurity density is,
It becomes impossible to achieve a shut-off state. A potential barrier of a certain height is created to prevent current from flowing even if a certain drain voltage is applied.
l/2a must be at least greater than 0.5. The distance between the p + regions 13 and 14 is desirably long enough to prevent holes injected from the emitter from disappearing by recombination within the base. That is, it is desirable that the length of the region where electrons exist without forming a depletion layer is equal to or less than the hole diffusion length. The hole diffusion distance l d in GaAs is, for example, the hole mobility 400 cm 2 /V.
sec, and the life time is 10 nsec, it is about 3 μm.
Therefore, the spacing between p + regions 13 and 14 is level or lower. however,
N D is the impurity density in the n region, e is the unit charge, ε is the dielectric constant, and l d is the diffusion length.

NDがたとえば、1×1014cm-3、1×1015cm-3
あれば、その値は8.7μm、4.8μm程度あるいはそ
れ以下である。もちろんパンチングスルー状態に
なつてもよい。
For example, if N D is 1×10 14 cm −3 or 1×10 15 cm −3 , the value is about 8.7 μm, 4.8 μm or less. Of course, a punching-through state may also occur.

VEEは電源電圧、Vioは入力電力、Vput1、Vput2
はそれぞれ出力電圧である。VEEは当然、p+領域
13とn+領域11の間に直接順方向電流が流れ
ないような値に選ばれる。n+領域11の不純物
密度は通常1×1018cm-3程度あるいはそれ以上で
あるから、p+領域13及びn+領域11両者間の
拡散電位は1.4〜1.5V程度である。従つて、VEE
たとえば1.0〜1.3V程度に選ばれる。もちろん、
これより低くてもよい。ゲートへの入力電圧Vio
が低レベル(たとえば、0.1〜0.3V)にあると、
駆動用SITは遮断状態にある。したがつて、出力
電圧Vputは高レベル(たとえば0.8〜1.2V程度)
にある。負荷用BJTから供給される電流は前段
のSITのドレインに流れている。入力電圧が高レ
ベルに変わると、駆動用SITは導通し、出力電圧
は低レベルに遷移する。すなわち、インバータ動
作する。ゲート電圧が高レベルに変わると、チヤ
ンネル中に生じていた電位障壁が引き下げられた
りあるいは消滅したりすると同時に、ゲートから
注入されたホールの空間電荷効果によりソースか
らの電子の注入を促進し、小さなチヤンネル面積
でも大きなドレイン電流を流せることになり、高
速化の原因となつている。
V EE is the supply voltage, V io is the input power, V put1 , V put2
are the output voltages, respectively. V EE is naturally selected to a value such that no forward current flows directly between the p + region 13 and the n + region 11. Since the impurity density of n + region 11 is usually about 1×10 18 cm -3 or higher, the diffusion potential between p + region 13 and n + region 11 is about 1.4 to 1.5 V. Therefore, VEE is selected to be, for example, about 1.0 to 1.3V. of course,
It may be lower than this. Input voltage to the gate V io
is at a low level (e.g. 0.1-0.3V),
The drive SIT is in a cut-off state. Therefore, the output voltage Vput is at a high level (for example, about 0.8 to 1.2V)
It is in. The current supplied from the load BJT flows to the drain of the SIT in the previous stage. When the input voltage changes to a high level, the driving SIT becomes conductive and the output voltage transitions to a low level. In other words, it operates as an inverter. When the gate voltage changes to a high level, the potential barrier created in the channel is lowered or disappears, and at the same time, the space charge effect of the holes injected from the gate promotes the injection of electrons from the source, and the small This allows a large drain current to flow even with the channel area, which is the reason for the increased speed.

また、GaAsの電子の移動度は、Si中の電子の
移動度に比べて5倍程度大きい。
Further, the electron mobility in GaAs is about five times higher than the electron mobility in Si.

従つて、ソース・ドレイン間に同一電圧が加わ
つて、同一キヤリア数存在しても、GaAsにおけ
る方が移動度が大きい分だけ電流は大きくなる。
即ち、小さなチヤンネル面積で同一の電流が流せ
るから、ゲートの静電容量などが減少して高速動
作が行なえる。導通状態にあるときのSITを遮断
するには、ゲートを低レベルに変えるわけである
が、その時チヤンネルに注入された少数キヤリ
ア、即ちホールの蓄積時間が速度を制限する。
GaAsSITの場合には、GaAsが直接遷移形結晶で
あるところから、電子、ホールの再結合時間に短
く、その蓄積時間は短くなるからきわめて高速度
の動作が行える。
Therefore, even if the same voltage is applied between the source and drain and the same number of carriers exist, the current will be larger in GaAs due to its greater mobility.
That is, since the same current can be passed through a small channel area, gate capacitance is reduced and high-speed operation can be performed. To shut off SIT when it is conducting, the gate is turned low, but the accumulation time of the minority carriers, or holes, injected into the channel limits the speed.
In the case of GaAsSIT, since GaAs is a direct transition crystal, the recombination time of electrons and holes is short, and the accumulation time is short, so extremely high-speed operation is possible.

駆動用SITのドレインとなるべき所を除けば、
表面に存在するn+層は積極的な意味を持たず存
在しなくともよいわけである。その部分を除去し
て、一入力二出力のSITLインバータを構成した
例を第2図に示す。同じく表面のn+層を除去し
た構造において、負荷用トランジスタを
MOSFETにした例を第3図に示す。電極14′
とn-領域12の間に介在する絶縁層が薄く形成
されて表面に反転層が生じるようになされてい
る。GaAsMOSFETとするときの、ゲート絶縁
膜には、表面準位の少ないことが要求される。し
たがつて。CVD法によるGaOxNy膜がすぐれてい
る。O/N比が0.1から0.2程度のGaOxNy膜を表
面に直接接触して設け表面から離れるにつれて漸
次O/N比を増加させると膜の強度も向上して、
望ましい。この例ではゲートとドレインが直結さ
れている。勿論、ゲートをソースに直結したりあ
るいは所定の電位を与えて動作させることもあ
る。
Except for the part that should be the drain of the drive SIT,
The n + layer existing on the surface has no positive meaning and does not need to exist. An example of a one-input, two-output SITL inverter constructed by removing that part is shown in FIG. In the same structure where the surface n + layer is removed, the load transistor is
Figure 3 shows an example of a MOSFET. electrode 14'
The insulating layer interposed between the n - region 12 is formed thinly so that an inversion layer is formed on the surface. When using a GaAs MOSFET, the gate insulating film is required to have a small number of surface states. Therefore. The GaO x N y film produced by the CVD method is excellent. When a GaO x N y film with an O/N ratio of about 0.1 to 0.2 is placed in direct contact with the surface and the O/N ratio is gradually increased as it moves away from the surface, the strength of the film also improves.
desirable. In this example, the gate and drain are directly connected. Of course, the gate may be directly connected to the source or may be operated by applying a predetermined potential.

第1図乃至第3図でp+領域はちようどn+領域
11に到達している時の例を示したが、必らずし
もこうする必要はなく、n+領域に到達していな
くても、またn+領域に十分到達していてもよい。
GaAsの製造プロセスは未だ十分ではない。しか
し、多層エピタキシヤル成長は、気相成長でも液
相成長でもかなり再現性よく厚さ、不純物密度が
制御されるようになつている。したがつて、たと
えば5×1013〜5×1015cm-3程度の不純物密度の
n-層をn+基板上にたとえば0.5〜2μm程度成長し、
更に1017〜1018cm-3程度の不純物密度のn+層をた
とえば0.2〜0.5μm程度成長させることは容易であ
る。各層の厚さ及び不純物密度の値はこれらの値
に限られないことは勿論である。p+領域を形成
するのはZn拡散による。この為、n+領域の不純
物密度はp+領域よりも低くしておく。現在GaAs
ではZnによる拡散のみが安定して行なわれるほ
ど唯一の拡散工程である。Zn拡散時に、GaAs結
晶中のAsが抜け出して結晶性を悪くするような
時には、Asの抜け出しを抑えるために同時にAs
の蒸気圧を加えておけば、結晶性を損わずにZn
拡散が行える。p+形成はCdがBeなどのイオン注
入によつてもよい。表面n+層の形成は場合によ
つてはS、Se、Te等のイオン注入、拡散によつ
て作つてもよい。たとえばSeのイオン注入を用
いてp+領域となるべき部分以外に選択的に不純
物濃度約1018cm-3、厚さ0.1〜0.2μmのn+層を形成
してもよい。良好な拡散マスクとなる絶縁層が存
在しない現状では、p+領域はイオン注入の方が
より精度高く行えよう。絶縁層については、Siに
おける熱酸化のような工程は今のところ無理なの
で、スパツタやCVD法で、SiO2、Si3N4
Al2O3、AlNあるいはGaOxNyを設ければよい。
従つて、n+−GaAs基板上のn-、n+二層エピタキ
シヤル成長及び、p+選択Zn拡散という比較的簡
単なプロセスにより、第1図及至第3図に示した
構造のものは十分実現出来る。
In Figures 1 to 3, an example is shown in which the p + area has just reached the n + area 11, but it is not necessary to do this, and the p + area has not yet reached the n + area. It may also be sufficient to reach the n + region.
The manufacturing process for GaAs is still insufficient. However, in multilayer epitaxial growth, the thickness and impurity density can be controlled with good reproducibility in both vapor phase growth and liquid phase growth. Therefore, for example, if the impurity density is about 5×10 13 to 5×10 15 cm -3
The n - layer is grown on the n + substrate to a thickness of, for example, 0.5 to 2 μm,
Furthermore, it is easy to grow an n + layer having an impurity density of about 10 17 to 10 18 cm -3 to a thickness of, for example, about 0.2 to 0.5 μm. Of course, the values of the thickness and impurity density of each layer are not limited to these values. The p + region is formed by Zn diffusion. For this reason, the impurity density in the n + region is set lower than that in the p + region. Currently GaAs
In this case, diffusion by Zn is the only diffusion process that can be performed stably. During Zn diffusion, if As escapes from the GaAs crystal and deteriorates the crystallinity, it is necessary to add As at the same time to suppress the escape of As.
If a vapor pressure of
Can be spread. The p + formation may be performed by ion implantation of Cd or Be. The surface n + layer may be formed by ion implantation or diffusion of S, Se, Te, etc., depending on the case. For example , an n + layer having an impurity concentration of about 10 18 cm -3 and a thickness of 0.1 to 0.2 μm may be selectively formed in a portion other than the portion to become a p + region by using Se ion implantation. In the current situation where there is no insulating layer that can serve as a good diffusion mask, ion implantation in the p + region may be more accurate. Regarding the insulating layer, it is currently impossible to perform processes such as thermal oxidation on Si, so we use sputtering or CVD methods to create SiO 2 , Si 3 N 4 ,
Al 2 O 3 , AlN or GaO x N y may be provided.
Therefore, the structures shown in FIGS. 1 to 3 can be sufficiently produced by a relatively simple process of n - and n + double-layer epitaxial growth on an n + -GaAs substrate and p + selective Zn diffusion. It can be achieved.

集積回路の規模が大きくなつてくると当然のこ
とながら、チツプへの入力端子数及び出力端子数
が非常に多くなる。現在は、ボンデイングパツド
をチツプ周辺部に設けて金属線もしくは金属テー
プによつて外部に取り出しているが、入出力端子
数が多くなるとそのための面積が大きくなつて集
積度の向上を妨げること、またボンデイング部の
数が多くなると歩留り、信頼性を低下させる原因
にもなつてくる。GaAsは直接遷移型の結晶であ
るから、きわめて効率の良い発光ダイオードにな
る。入出力端子部分になる所定の場所に所定の大
きさの薄いp+領域を形成して、順方向にバイア
スして電流を流せばきわめて効率のよい発光ダイ
オードになり、また逆方向にバイアスすれば光検
出用のフオトダイオードとなる。すなわち、チツ
プとチツプの間の情報の伝達を金属ワイヤによる
電気によつてではなく光で行うことができるよう
になるわけである。外部への光の取り出し効率を
向上させ、光を他のチツプの所定の個所に集光す
るにはGaAs表面にSiO2、SiO、Si3N4、GaAlO、
Al2O3、GaOxNyまたはこれらの混合物をレンズ
作用を持たせるように発光ダイオードやフオトダ
イオード上に設けることも有効である。もちろ
ん、オプテイカルフアイバにより所定の2個所間
を多数並列に接続することも有効である。光によ
る結合は、必ずしもチツプの周辺で行う必要はな
く、もつとも効率のよい最適の個所に入出力端子
を設ければよいのである。多くのチツプを接続す
るには、1つのチツプの出力端子となる発光ダイ
オードに対応する部分に、受光用のフオトダイオ
ードを配置したチツプを対応させる位置に配置す
る。たとえば、チツプを上向き下向きに交互に位
置をずらして配置することにより、多くのチツプ
を光結合により動作させることができる。発光ダ
イオードを用いた出力端子部及びフオトダイオー
ドを用いた入力端子部の一実施例を第4図及び第
5図に示す。第4図で、T1,T2はそれぞれ負荷
用バイポーラトランジスタ、T3は駆動用SIT、
Dは発光ダイオードである。T3が遮断状態にあ
るとき、T3のドレインは高レベルにあるから、
負荷トランジスタT2を流れる電流は発光ダイオ
ードDを流れて、光を外部に放射する。T3が導
通状態にあるときは、T3の出力端子が低レベル
になるからダイオードDには電流が流れず光は放
射されない。すなわち、出力高レベルのとき光出
力があり、出力低レベルのとき光出力なしという
ことになる。61:n+基板、62:n-エピ成長
層、63:T2のエミツタ、64:T2のコレクタ、
65:T3のゲート、66:T3のドレイン、6
7:発光ダイオードDのp+領域、68:絶縁層、
63′:エミツタ電極、65′:SITのゲート電
極、66′:ドレイン電極である。p+領域64は
ドレイン領域66と電極で接続されている。p+
領域63とn+領域61の間には殆んど順方向電
流が流れず、p+67−n-62−n+61に電流が
流れるのはp+n-の拡散電位差が小さいからであ
る。発光ダイオード部に電流をさらに流れ易くす
るには、p+領域67とn+領域61にはさまれる
領域の不純物密度をより低くすればよい。GaAs
のように、電子とホールの移動度に大きな差があ
る物質では、移動度の大きい、電子が注入の主役
になる。したがつて、p+領域67とn+領域61
の間の領域はp形の高抵抗領域であることが望ま
しい。もちろん出力段の所だけ、電源電圧を他よ
り少し高くしておいて、電流が流れ易くすること
も有効である。出力部が発光ダイオードでなく、
半導体レーザでもよいことはもちろんである。
As the scale of an integrated circuit increases, the number of input and output terminals to the chip naturally increases. Currently, bonding pads are provided around the chip and taken out to the outside using metal wire or metal tape, but as the number of input/output terminals increases, the area for this increases, which hinders the improvement of the degree of integration. Furthermore, when the number of bonding parts increases, it becomes a cause of lowering yield and reliability. GaAs is a direct transition crystal, making it an extremely efficient light-emitting diode. If a thin p + region of a predetermined size is formed at a predetermined location that will become the input/output terminal part, and a forward bias is applied to allow current to flow, an extremely efficient light emitting diode can be obtained. It becomes a photodiode for light detection. In other words, information can be transmitted between chips using light rather than electricity using metal wires. To improve the efficiency of light extraction to the outside and focus the light on a predetermined location on other chips, the GaAs surface is coated with SiO 2 , SiO, Si 3 N 4 , GaAlO,
It is also effective to provide Al 2 O 3 , GaO x N y or a mixture thereof on a light emitting diode or photodiode so as to have a lens effect. Of course, it is also effective to connect a large number of predetermined locations in parallel using optical fibers. Optical coupling does not necessarily have to be performed around the chip; it is sufficient to provide the input/output terminals at optimal and efficient locations. To connect many chips, a chip with a photodiode for receiving light is placed in a position corresponding to a portion of one chip that corresponds to a light emitting diode serving as an output terminal. For example, by arranging the chips in alternating upward and downward directions, many chips can be operated by optical coupling. An example of an output terminal section using a light emitting diode and an input terminal section using a photodiode is shown in FIGS. 4 and 5. In Figure 4, T 1 and T 2 are bipolar transistors for load, T 3 is SIT for drive,
D is a light emitting diode. When T 3 is in the cutoff state, the drain of T 3 is at a high level, so
The current flowing through the load transistor T2 flows through the light emitting diode D and emits light to the outside. When T 3 is conductive, the output terminal of T 3 is at a low level, so no current flows through diode D and no light is emitted. That is, when the output level is high, there is optical output, and when the output level is low, there is no optical output. 61: n + substrate, 62: n - epitaxial growth layer, 63: emitter of T 2 , 64: collector of T 2 ,
65: Gate of T 3 , 66: Drain of T 3 , 6
7: p + region of light emitting diode D, 68: insulating layer,
63': emitter electrode, 65': gate electrode of SIT, 66': drain electrode. P + region 64 is connected to drain region 66 through an electrode. p +
Almost no forward current flows between region 63 and n + region 61, and current flows in p + 67-n - 62-n + 61 because the diffusion potential difference of p + n - is small. . In order to make it easier for current to flow through the light emitting diode portion, the impurity density in the region sandwiched between the p + region 67 and the n + region 61 may be lowered. GaAs
In materials where there is a large difference in the mobility of electrons and holes, as in the case of materials with large mobility differences, electrons, which have higher mobility, play a leading role in injection. Therefore, p + region 67 and n + region 61
The region between is preferably a p-type high resistance region. Of course, it is also effective to set the power supply voltage at the output stage a little higher than at other parts to make it easier for the current to flow. The output part is not a light emitting diode,
Of course, a semiconductor laser may also be used.

第5図で、T4は駆動用SIT、T5は負荷用バイ
ポーラトランジスタ、D1はフオトダイオードで
ある。D1に光が入射しないときは、T4のゲート
は高レベルにあり、T4は導通状態にある。D1
光が入射すると、D1の両端の電圧が低下して、
負荷トランジスタT5の電流は殆んどD1を流れる
ようになり、T4は遮断状態になる。第5図bは
平面図、cはA−A′線に沿う断面図、dはB−
B′線に沿う断面図である。71:n+基板、7
2:n-エピ成長層、73:負荷トランジスタの
エミツタ、74:負荷トランジスタのコレクタで
あり駆動用SITの駆動ゲート、75:駆動用SIT
の固定電位ゲート、76−1,76−2はSITの
ドレイン、77:フオトダイオードのp+領域、
78:絶縁層、73′:エミツタ電極、76−
1′,76−2′:ドレイン電極である。p-領域
79は、受光効率をよくするための高抵抗領域で
ある。第7図では、フオトダイオードを順方向に
接続したが逆方向に接続することももちろんでき
る。
In FIG. 5, T4 is a driving SIT, T5 is a bipolar transistor for load, and D1 is a photodiode. When no light is incident on D 1 , the gate of T 4 is at a high level and T 4 is in a conducting state. When light enters D 1 , the voltage across D 1 decreases,
The current of the load transistor T 5 will now mostly flow through D 1 , and T 4 will be in a cut-off state. Figure 5b is a plan view, c is a sectional view along line A-A', and d is B-
FIG. 3 is a sectional view taken along line B'. 71:n + board, 7
2: n - epitaxial growth layer, 73: emitter of load transistor, 74: collector of load transistor and drive gate of drive SIT, 75: drive SIT
fixed potential gate, 76-1, 76-2 are drains of SIT, 77: p + region of photodiode,
78: Insulating layer, 73': Emitter electrode, 76-
1', 76-2': Drain electrode. The p - region 79 is a high resistance region for improving light receiving efficiency. Although the photodiodes are connected in the forward direction in FIG. 7, they can of course be connected in the reverse direction.

フオトダイオードを逆方向に接続して、光入力
部となした例を第6図に示す。負荷トランジスタ
をMOSFETとした例である。光入力Pioは、逆バ
イアスされたフオトダイオードに入射する。光入
射があるとフオトダイオードに電流が流れるか
ら、SITのゲートは所定の電位まで充電され、
SITは導通状態になる。光入射が無くなると、ゲ
ートに電流が流れ込まなくなり、ゲートの電位は
低レベルに戻つてSITは遮断状態になる。電源
VEE′は、フオトダイオードの特性によつて決め
る。通常VEE′はVEEより高い値になる。
FIG. 6 shows an example in which a photodiode is connected in the opposite direction to form an optical input section. This is an example in which the load transistor is a MOSFET. The optical input P io is incident on a reverse biased photodiode. When light is incident, current flows through the photodiode, so the gate of SIT is charged to a predetermined potential,
SIT becomes conductive. When light is no longer incident, no current flows into the gate, the gate potential returns to a low level, and the SIT becomes cut off. power supply
V EE ′ is determined by the characteristics of the photodiode. Usually V EE ′ will be higher than V EE .

インバータ動作するSITのゲート・ドレイン間
が、あまりに深く順方向にバイアスされると、や
はり動作速度が低下する。たとえば、ゲートが高
レベルで0.8〜1.1V、ドレインが低レベルで0.1〜
0.2Vというように、ゲート・ドレイン間があま
りに順方向に深くバイアスされることは、動作速
度を速くすることには不都合である。ゲート・ド
レイン間の電圧をあまり深くしないためには、第
7図に示すようにSITのゲート・ドレイン間にシ
ヨツトキダイオードD1、及びD2を挿入すればよ
い。この例では、負荷トランジスタをMOSFET
の例で示す。シヨツトキダイオードの順方向降下
電圧をVfとすると、電圧の高レベルと低レベル
の差は、Vf以上には大きくならない。シヨツト
キダイオードは、Al、Pt、Pdなどの金属の蒸着
やメツキなどで形成できる。インバータSITのp+
ゲート領域の表面の一部に、前記の金属によるる
シヨツトキダイオードを設けて、ドレインと電極
で直結すればよい。あるいは、SITのドレインの
一部に前記金属のシヨツトキダイオードを設け
て、ゲート領域と接続してもよい。通常、GaAs
ではn形領域のシヨツトキ接合の障壁高さは、p
形領域のシヨツトキ接合障壁高さより高い。した
がつて、電圧の高レベル低レベル間の差を少なく
しようとするときは、p+ゲート領域にシヨツト
キ接合を設ければよいし、やや大きい差を望むと
きは、n+ドレイン領域にシヨツトキ接合を設け
ればよい。
If the gate and drain of an SIT that operates as an inverter is biased too deeply in the forward direction, the operating speed will also decrease. For example, 0.8~1.1V with gate high level and 0.1~1V with drain low level.
Too deep forward bias between the gate and drain, such as 0.2V, is inconvenient for increasing operating speed. In order to prevent the voltage between the gate and drain from becoming too deep, shotgun diodes D 1 and D 2 may be inserted between the gate and drain of the SIT, as shown in FIG. In this example, the load transistor is a MOSFET
As shown in the example below. If the forward voltage drop of a Schottky diode is Vf , then the difference between the high level and low level of the voltage will not be larger than Vf . Schottky diodes can be formed by vapor deposition or plating of metals such as Al, Pt, and Pd. Inverter SIT p +
A shotgun diode made of the metal described above may be provided on a part of the surface of the gate region and directly connected to the drain through an electrode. Alternatively, the metal Schottky diode may be provided in a part of the drain of the SIT and connected to the gate region. Usually GaAs
Then, the barrier height of the Schottky junction in the n-type region is p
Higher than the short junction barrier height of the shaped region. Therefore, if you want to reduce the difference between high and low voltage levels, you can create a shot junction in the p + gate region, and if you want a slightly larger difference, you can create a shot junction in the n + drain region. All you have to do is set it up.

本発明の構造のGaAsSITを用いたI2L型SITL
は、GaAsの電子の移動度が大きく、かつ直接遷
移型結晶であることから、チヤンネルに注入され
た少数キヤリアの再結合が速くて蓄積効果が少な
いため横型のバイポーラトランジスタの電流到達
率が上昇し、とくに高速動作が要求される個所に
はきわめて有効であり又、GaAsはSiよりも拡散
電位が大きいのでSiよりも動作電圧を高くでき、
雑音余裕度が大きくなり、そして現在の製造技術
で十分製造できその工業的価値はきわめて高い。
I 2 L-type SITL using GaAsSIT with the structure of the present invention
Because GaAs has high electron mobility and is a direct transition crystal, minority carriers injected into the channel recombine quickly and have little accumulation effect, increasing the current delivery rate of lateral bipolar transistors. It is extremely effective, especially in areas where high-speed operation is required, and GaAs has a higher diffusion potential than Si, so the operating voltage can be higher than that of Si.
It has a large noise margin and can be manufactured satisfactorily using current manufacturing technology, so its industrial value is extremely high.

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

第1図は、本発明に用いるI2L型GaAsSITイン
バータ(1入力2出力)の一実施例で、aは等価
回路、bは平面図、cはb図中A−A′線に沿う
断面図、第2図は本発明に用いるI2L型GaAsSIT
インバータの他の断面構造例、第3図は負荷を
IGFETにした本発明に用いるI2L型GaAsSITイ
ンバータの他の断面構造例、第4図は発光ダイオ
ードを出力部に設けた本発明の実施例でaは等価
回路、bは断面図、第5図はフオトダイオードを
入力部に設けた本発明の実施例で、aは等価回
路、bは平面図、cはb図中A−A′線に沿う断
面構造図、dはb図中B−B′線に沿う断面構造
図、第6図は光入力で動作する本発明の実施例、
第7図は本発明の実施例の等価回路図である。
Figure 1 shows an example of an I 2 L type GaAs SIT inverter (1 input, 2 outputs) used in the present invention, where a is an equivalent circuit, b is a plan view, and c is a cross section taken along line A-A' in figure b. Figure 2 shows an I 2 L type GaAsSIT used in the present invention.
Another cross-sectional structure example of an inverter, Figure 3 shows the load
Another example of the cross-sectional structure of the I 2 L-type GaAsSIT inverter used in the present invention, which is an IGFET, is shown in FIG. The figure shows an embodiment of the present invention in which a photodiode is provided at the input section, where a is an equivalent circuit, b is a plan view, c is a cross-sectional structural diagram taken along line A-A' in figure b, and d is a B-- A cross-sectional structural diagram taken along line B', FIG. 6 is an embodiment of the present invention that operates with optical input;
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of an embodiment of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 低比抵抗のn型GaAs基板と、前記基板の第
一の主表面上に二層に成長した、比較的高比抵抗
な層と、低比抵抗のn型GaAs表面層を有し、前
記成長層を貫通し前記n型基板に接触するように
形成された複数個の前記n型GaAsよりも不純物
密度の高いp型領域と、前記複数個のp型領域が
1つの共通部分を有してかつ少なくとも隣接する
二対のp型領域を含み、前記二対のp型領域とそ
の間に存在する前記GaAs高比抵抗層とを利用し
て、第一及び第二の横型のバイポーラトランジス
タを形成し、前記p型共通部分、前記基板、及び
n型成長層により形成され、前記p型層をゲート
とする第三の縦型の静電誘導トランジスタを形成
する部分を少なくとも備え、前記第一のバイポー
ラトランジスタのコレクタ領域が前記静電誘導ト
ランジスタのゲート領域と共通になるべく構成し
た部分を備え、前記第三の縦型の静電誘導トラン
ジスタのドレイン領域に隣接するように、電気信
号出力を光信号に変換する、発光ダイオードを設
けたことを特徴とするGaAs半導体装置。 2 前記第一及び第二の負荷トランジスタを、絶
縁電極型トランジスタにすることを特徴とする前
記特許請求の範囲第1項記載のGaAs半導体装
置。 3 低比抵抗のn型GaAs基板と、前記基板の第
一の主表面上に二層に成長した、比較的高比抵抗
な層と低比抵抗のn型GaAs表面層を有し、前記
成長層を貫通し、前記n型基板に接触するように
形成された複数個の前記n型GaAsよりも不純物
密度の高いp型領域と、前記複数個のp型領域が
少なくとも隣接する一対のp型領域を含み、前記
一対のp型領域とその間に存在する前記GaAs高
比抵抗層とを利用して第一の横型のバイポーラト
ランジスタを形成し、前記一対のp型領域の一方
と、前記基板、及びn型成長層により形成され、
前記p型層をゲートとする第二の縦型の静電誘導
型トランジスタを形成する部分を備え、前記バイ
ポーラトランジスタのコレクタ領域が前記静電誘
導トランジスタのゲート領域と共通になるべく構
成した部分を備え、前記共通になるべく構成した
部分に接触するように構成された前記基板及び比
較的高比抵抗のp型領域及び、比較的低比抵抗の
p型表面層から成る光入力信号を電気信号に変換
するフオトダイオードを備えたことを特徴とする
GaAs半導体装置。 4 前記第一の負荷トランジスタを絶縁電極型ト
ランジスタにすることを特徴とする前記特許請求
の範囲第3項記載のGaAs半導体装置。
[Scope of Claims] 1. A low resistivity n-type GaAs substrate, a relatively high resistivity layer grown in two layers on the first main surface of the substrate, and a low resistivity n-type GaAs surface. a plurality of p-type regions having an impurity density higher than that of the n-type GaAs, the plurality of p-type regions having a higher impurity density than the n-type GaAs, which are formed so as to penetrate the growth layer and contact the n-type substrate; the first and second p-type regions have two common parts and at least two adjacent pairs of p-type regions, and the first and second forming a horizontal bipolar transistor, at least a portion forming a third vertical static induction transistor formed by the p-type common portion, the substrate, and the n-type growth layer, and having the p-type layer as a gate; comprising a portion configured such that the collector region of the first bipolar transistor is as common as the gate region of the static induction transistor, and is adjacent to the drain region of the third vertical static induction transistor; A GaAs semiconductor device characterized by being equipped with a light emitting diode that converts electrical signal output into an optical signal. 2. The GaAs semiconductor device according to claim 1, wherein the first and second load transistors are insulated electrode type transistors. 3. A low resistivity n-type GaAs substrate, a relatively high resistivity layer and a low resistivity n-type GaAs surface layer grown on the first main surface of the substrate, and a plurality of p-type regions having an impurity density higher than that of the n-type GaAs, which are formed so as to penetrate through the layer and be in contact with the n-type substrate; and a pair of p-type regions in which the plurality of p-type regions are at least adjacent to each other. forming a first lateral bipolar transistor using the pair of p-type regions and the GaAs high resistivity layer existing therebetween, one of the pair of p-type regions and the substrate; and an n-type growth layer,
A portion forming a second vertical static induction transistor having the p-type layer as a gate, and a portion configured such that the collector region of the bipolar transistor is as common as the gate region of the static induction transistor. , converting an optical input signal into an electrical signal, comprising the substrate configured to contact the preferably common portion, a relatively high resistivity p-type region, and a relatively low resistivity p-type surface layer. It is characterized by being equipped with a photodiode that
GaAs semiconductor device. 4. The GaAs semiconductor device according to claim 3, wherein the first load transistor is an insulated electrode transistor.
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