JPH04125966A

JPH04125966A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04125966A
Application number: JP24659790A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nakamura; 和夫中村
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-09-17
Filing date: 1990-09-17
Publication date: 1992-04-27
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JP2973225B2

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、半導体装置及び、その製造方法に関し、特に
共鳴トンネル効果を利用した半導体装置及び、その製造
方法に関する。

（従来の技術）共鳴トンネル効果は顕著な微分負性抵抗を有する事から
、新機能三端子素子への応用が極めて有望であり、各所
で研究が行われている。従来の共鳴トンネル効果を利用
した三端子素子の一例としては、検出らによるジャパニ
ーズ、ジャーナル、オブ。

アプライド・フィジックス（Ｊｐｎ、　Ｊ、　Ａｐｐｌ
、Ｐｈｙｓ、）第２４巻、ＬａＢ３頁−ＬａＢ５頁、１
９８５年に報告された共鳴トンネリング・ホットエレク
トロン、トランジスタ（ＲＨＥＴ：Ｒｅｓｏｎａｎｔ−
Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｈｏｔ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ工ｒａ
ｎｓｉｓｔｏｒ）がある。この具体的な構造の平面図を
第２図（ａ）に示した。又、この平面図のＣ−Ｄに沿っ
た断面図を第２図（ｂ）に示した。通常の素子構造は分
子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）あるいは、有機金
属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）により、ｎ−ＧａＡｓ基板
１２上にノンドープＡｌＧａＡｓ層１３、ｎ−ＧａＡｓ
ペース層１４、量子井戸層を形成するＡｌＧａＡｓポテ
ンシャルバリア層１５．１７及び、ＧａＡｓサンドイッ
チ層１６、さらにｎ−ＧａＡｓエミツタ層１８を第２図
（ｂ）のように積層し、ベース電極を取るために、図の
様に、一部をベース層までエツチングし、エミッタ電極
１９、ベース電極２０、コレクタ電極２１をそれぞれ図
の様に形成している。

素子の典型的なエミッタ・ベース電圧に対するコレクタ
電流を第２図（ｅ）に示した。この図に示された様に、
負性伝達コンダクタンスが明瞭に見られている。

（発明が解決しようとする課題）以上の説明から解るように、確かに従来例により負性伝
達コンダクタンスが得られ、論理演算等の新機能素子が
実現できる可能性がある。しかしながら、更に多値論理
演算や多進数数値演算・メモリに応用する事を考えた場
合、−素子に二個以上の負性伝達コンダクタンスが得ら
れる事が望まれる。従来のＲＨＥＴのような素子におい
ても、励起準位Ｅｉ（ｉ　＝　２．３・・・）における
共鳴トンネル効果を利用し、複数の負性伝達コンダクタ
ンスを得る事が原理的には可能である。しかしながら、
従来のＲＨＥＴで得られる負性抵抗は高々−個である。

これは、ｉ≧２の励起準位においては電子の閉じ込めが
充分でない事が原因である。本発明の目的は、この様な
問題点を解決した、複数の負性伝達コンダクタンスが得
られる半導体装置及び、その製造方法を提供するもので
ある。

（課題を解決するための手段）本発明の半導体装置は、キャリアの量子準位が生成され
る量子井戸構造を有し、この量子準位の共鳴トンネル現
象を利用する半導体装置であって、該量子井戸が微小量
子井戸あるいはその集合体として形成されている事を特
徴とする。

またその微小量子井戸は量子井戸構造を有し、量子井戸
形成方向とは異なる方向（次元）に侠客されている構造
であることを特徴とする。

また本発明の半導体装置の製造方法は、量子井戸を形成
する層構造に垂直な方向で素子分離を行うことにより微
小量子井戸あるいはその集合体を形成する事を特徴とす
る。

また本発明の半導体装置の製造方法は、特に微小量子井
戸の集合体を形成するに当たっては、量子井戸を形成す
る層構造に垂直な９０度異なる二方向において多重細線
を形成するように、素子分離あるいは混晶化を行う事を
特徴とする。

あるいは本発明の半導体装置の製造方法は、前述の素子
分離あるいは混晶化をイオン注入により行うことを特徴
とする。

あるいは本発明の半導体装置の製造方法は、素子分離を
選択エツチングにより行うことを特徴としてもよい。こ
の際、エツチング後に、選択エピ成長を引き続き行って
もよい。

（作用）本発明の作用を以下に説明する。

一方向（２方向とする）に積層したバリア層により形成
した量子井戸をさらにｘ、　ｙ方向にも狭窄する事によ
って、擬０次元状態の形成が実現可能となり、この擬Ｏ
次元状態に伴い、元の量子井戸によるエネルギー準位は
さらにサブレベルに分裂する事が知られている。このサ
ブレベルの間隔はｘ１ｙ方向を狭窄するデイメンジョン
に依存し、より微細に狭窄されるほど広くなる為、ｘ、
ｙ方向の加工幅により、サブレベル間隔の制御が可能と
なる。更に、元の準位と同様にこのサブレベルを介した
共鳴トンネルも可能となるので、これまで一つの負の微
分コンダクタンスしか得られなかった量子井戸に、制御
された間隔で複数個の負の微分コンダクタンスが得られ
るようになることが解る。またこの負の微分コンダクタ
ンスの強度を稼ぐ為に、多数個の擬θ次元量子井戸を集
めた形で用いることは有用である。

またこの擬０次元状態の実現に当たっては、量子井戸の
層構造形成後、イオン注入などによる素子分離やペテロ
界面の混晶化による手法が用いることが、できるが、本
発明によるｘ、ｙ方向の狭窄により、電子は必然的に２
方向に擬１次元的な運動を強いられる事となり、榊によ
りジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィ
ジックス（Ｊｐｎ、　Ｊ、　Ａｐｐｌ。

Ｐｈｙｓ、）、第１９巻、Ｌ７３５頁、１９８０年に指
摘されているような電子の移動度の増大、従って、デバ
イスの高速化も副次的な効果として期待できる。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）は本発明の一実施例の半導体装置における
要部の平面図、第１図（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ｈにおい
て切断した構造断面図である。第１図（ａ）、（ｂ）を
参照して本発明の半導体装置の製造方法の実施例を説明
する。

分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）あるいは、有機
金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）により、ｎ−ＧａＡｓ基
板１上にノンドープＡｌＧａＡｓ層２、ｎ−ＧａＡｓベ
ース層３、量子井戸層を形成する厚さ１００人のＡｌＧ
ａＡｓポテンシャルバリア層４．６及び、厚さ６０Ａの
ＧａＡｓサンドインチ層５、さらにｎ−ＧａＡｓエミツ
タ層７を第１図（ｂ）に示したように堆積した後、ベー
ス電極を取るために、この図の様に、ベース層までエツ
チングする。その後、本発明の効果を得る為に、この図
において素子分離領域１１をガリウム集束イオンビーム
（ＦＩＢ）による混晶化を用いて作製するべく、第１図
（ａ）のように９０度異子る方向に各線幅０．１μｍの
多重細線を形成するように注入する。この時、第１図（
ｂ）で示したようにＡｌＧａＡｓ層４まで素子分離し、
ベース層はなるべく素子分離しないように注意してイオ
ンのエネルギを制御する。こうして−辺０．１μｍの矩
形の微小量子井戸の集合体が形成される。この素子分離
のプロセスは選択エツチングによっても実現できる。例
えばエミツタ層７を形成した後、ＥＢ露光法により素子
分離領域１１をパターニングし、エツチングを行って、
第１図（ｂ）の素子分離領域を削り取ればよい。この際
、選択エピ成長により、エツチング領域を埋め戻しても
よい。このプロセスによれば、素子分離領域を下側の量
子井戸層４で、正確に止める事ができ、有利な点がある
。以上のプロセスを終了した後、エミッタ電極８、ベー
ス電極９、コレクタ電極１０を第１図（ｂ）の様に被着
して素子が完成する。

完成した素子のエミッタ・ベース電圧に対するコレクタ
電流を第１図（Ｃ）に示した。この図に示された様に、
複数のピークが明瞭に見られており、多値論理回路の構
成が可能となる。実際、本素子を用いて作製した多値論
理回路の動作速度（ベース走行時間）を評価すると、−
素子光たり、ｌｐｓの値が求められ、通常のＲＨＥＴの
値２ｐｓに比べて倍の速度であることがわかった。これ
は作用の項で指摘した、電子の進行方向が１次元的にな
っている事から生じる効果であると考えられる。

本実施例では微小量子井戸を述べてきたが、もちろん単
一の量子井戸も、はぼ同様のプロセスで形成できる。ま
た本実施例では微小量子井戸を一辺０．１μｍの矩形と
したが更に小さくしてもよい。

本発明は微小量子井戸、１個でも有効であるが、本実施
例のように集合体とした方がより顕著に効果がある。ま
た本実施例では素子分離あるいは混晶化を９０度異子る
２方向で行ったがこれに限る必要はなく、円形や多角形
の形状でもよい。

又、本実施例ではＲＨＥＴへの応用を示したが、共鳴ト
ンネルダイオードを有するペテロバイボーラトランシス
タ（ＨＢＴ）いわゆるＲＢＴ等の他の素子に応用する事
も当然可能である。

（発明の効果）以上、説明したように、本発明は量子準位が生成される
量子井戸構造を有し、この量子準位の共鳴トンネル現象
を利用する半導体装置において、量子井戸が微小量子井
戸あるいはその集合体として形成されている事を特徴と
している。この様な微小量子井戸は擬０次元系と見なす
ことが出来、この擬０次元系に伴うサブバンドの形成に
より出現する、複数の負性伝達コンダクタンスを多値論
理回路等に応用するものである。一つの典型的な例とし
てＲＨＥＴへの応用を実施例では述べたが、従来では複
数のＲＨＥＴ素子を組み合せて作る必要のあった回路を
単一の素子により実現できる等、集積化に対しても有利
である事がわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明する図であり、第１図（ａ）は本
発明の一実施例の半導体装置の平面図であり、第１図（
ｂ）は、実施例を平面図で示したＡ−Ｂで切断した時の
断面図である。第１図（Ｃ）は、実施例のエミッタ・ベ
ース電圧に対するコレクタ電流の関係を表す図である。第２図は従来例を説明する図であり、第２図（ａ）は従
来例の素子の平面図、第２図（ｂ）は平面図のＣ−Ｄで
の断面図である。第２図（ｅ）は従来例のエミッタ・ベ
ース電圧に対するコレクタ電流の関係を示す図である。各図において１−ｎ−ＧａＡｓ基板、２・・・ノンドープＡｌＧａＡ
ｓ層、３・・・ｎ−ＧａＡｓベース層、４及び６・・・
量子井戸層を形成するＡｌＧａＡｓポテンシャルバリア
層、５・・・ＧａＡｓサンドイッチ層、７・−ｎ−Ｇａ
Ａｓエミツタ層、１１・・・素子分離領域、８・・エミ
ッタ電極、９・・・ベース電極、１ｏ・・・コレクタ電
極、１２−ｎ−ＧａＡｓ基板、１３・・・ノンドープＡ
ｌＧａＡｓ層、工４・・・ｎ−ＧａＡｓベース層、１５
及び１７・・・量子井戸層を形成するＡｌＧａＡｓポテ
ンシャルバリア層、１６−ＧａＡｓサンドイッチ層、１
８−ｎ−ＧａＡｓエミツタ層、１９・・・エミッタ電極
、２０・・・ベース電極、２１・・・コレクタ電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）キャリアの量子準位が生成される量子井戸構造を
有し、この量子準位の共鳴トンネル現象を利用する半導
体装置であって、該量子井戸が微小量子井戸あるいは微
小量子井戸の集合体として形成されている事を特徴とす
る半導体装置。
（２）請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
量子井戸を形成する層構造に垂直な方向で素子分離ある
いは混晶化を行うことにより微小量子井戸あるいは微小
量子井戸の集合体を形成する事を特徴とする半導体装置
の製造方法。
（３）請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
微小量子井戸の集合体を形成するに当たっては、量子井
戸を形成する層構造に垂直な９０度異なる二方向におい
て多重細線を形成するように、素子分離あるいは混晶化
を行う事を特徴とする半導体装置の製造方法。
（４）請求項２または請求項３記載の半導体装置の製造
方法において、素子分離あるいは混晶化をイオン注入に
より行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（５）請求項２または請求項３記載の半導体装置の製造
方法において、素子分離を選択エッチングにより行うこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
（６）請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
選択エッチングに引き続き、選択エピ成長を行うことを
特徴とする半導体装置の製造方法。