JPH04280438A - 電界効果トランジスタ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チャネル電子の進行方
向を集束しかつゲート電極により進行方向を変調させる
電界効果トランジスタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来例として、ＧａＡｓ／Ａｌｘ　Ｇａ
１−ｘ　Ａｓをチャネル材料とした電界効果トランジス
タを図６を用いて説明する。これは通常、高電子移動度
電界効果トランジスタと呼ばれる。図６（ａ）はこの電
界効果トランジスタの上面図であり、図６（ｂ）はこの
電界効果トランジスタの横断面図である。この電界効果
トランジスタは、ソース電極１とドレイン電極２との間
のチャネル領域７を流れる電流をそのチャネル領域７に
接したゲート電極３により変調しトランジスタ動作を行
なう。チャネルは通常、アンドープＧａＡｓ層７１とＳ
ｉドープＡｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ層７２からなり、電
子はアンドープＧａＡｓ層７１とＳｉドープＡｌｘ　Ｇ
ａ１−ｘ　Ａｓ層７２とのヘテロ界面を伝導する。チャ
ネル単位幅あたりの電流量は、最も電子の量が少ないゲ
ート電極３下部領域での電子の面密度とそこでの電子の
平均速度との積に比例する。ここでの平均速度とは、そ
の領域を走行する個々の電子の速度のうち、図６（ａ）
および（ｂ）に示す様にソース電極１とドレイン電極２
とを結ぶ方向（以下、チャネル方向と呼ぶ）に平行な成
分の平均値である。

【０００３】電界効果トランジスタの性能指標の１つで
ある相互コンダクタンスを向上させるには、ゲート電極
下部での電子の面密度あるいは平均速度を増加させ、か
つ、それらのゲート電極制御性を向上させればよい。通
常、電子の速度はチャネル材料により飽和速度が決定さ
れると考えられているので、速度の向上よりは電子密度
をを重点的に向上させるように素子構造が最適化されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、電子面密
度の変調のみならず、電子の平均速度を向上させ、かつ
ゲート電極による速度変調を行なう素子構造を提供する
。通常、チャネルを走行する電子の走行方向は、全てが
一様な方向を向いているのではなく、ある有限な統計的
分布をもっている。まず、ソース電極内の電子はチャネ
ルへランダムな方向に注入される。その後、チャネル内
の電界により加速されドレイン電極方向へ走行する。 Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴの場合、電子の平均自由行程は短く
、ゲート電極下部に達するまで酸化膜界面などによる弾
性散乱あるいは非弾性散乱を受けるので、その進行方向
はさらに乱される。

【０００５】一方、図６の高電子移動度電界効果トラン
ジスタの場合は、急峻なヘテロ界面、変調ドープによる
不純物散乱の抑制などにより、通常の電界効果トランジ
スタより大きい平均自由行程を持つ。そのため、ソース
電極とドレイン電極間を電子が無散乱で走行することが
可能となる。しかし、この場合も、ソース電極から発せ
られた時点での電子の進行方向は一定ではないため、ラ
ンダムな方向を向いたままチャネル領域を伝導する。

【０００６】チャネルを走行する電子の平均速度は、個
々の電子のチャネル方向に平行な速度成分に対する平均
となる。そのため、個々の電子の速度がランダムな方向
を向いて飽和速度で走行している場合、全ての電子がチ
ャネル方向に向いて飽和速度で走行する場合に比べて小
さい値になる。仮に何らかの方法で電子の進行方向をチ
ャネル方向に集束させる事が可能となれば、電子の平均
速度を増大できる。

【０００７】また、この様に集束された電子がゲート電
極に入射する場合、ゲート電極にこの集束電子の進行方
向を変調させる機能があれば、電子密度の変調のみなら
ず、電子速度の変調も可能となる。これにより、相互コ
ンダクタンスがさらに増大し、電界効果トランジスタの
特性向上につながる。

【０００８】電子の進行方向の集束化に関する報告を紹
介する。Ｌ．Ｗ．Ｍｏｌｅｎｋａｍｐらはフィジカルレ
ビュー誌（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　　Ｒｅｖｉｅｗ　　Ｂ，
１９９０，Ｖｏｌ．４１，Ｐ．１２７４）において、量
子ポイントコンタクトをもちいたＧａＡｓ／Ａｌｘ　Ｇ
ａ１−ｘ　Ａｓヘテロ界面電子の集束効果について報告
している。 量子ポイントコンタクトは、図７（ａ）の様にチャネル
領域７上に接し、微細な間隙を有したゲート電極３であ
る。Ｌ．Ｗ．Ｍｏｌｅｎｋａｍｐらは、ゲート電極に適
当な電圧を印加することによりフェルミ波長程度の幅を
持った間隙のみを電子が通過できるようにした。彼らは
この微細な間隙から放射される電子の角度分布を測定し
た結果、その角度分布に強い指向性がある事を見いだし
た。間隙がフェルミ波長程度であると、エネルギー準位
は１次元的となり、間隙に対し垂直方向の運動が離散的
になる。この状態から断熱的に隙間から広い空間に電子
が放出されるとその進行方向は集束するようになる。

【０００９】別の電子集束効果についても述べる。Ｃ．
Ｗ．Ｊ．Ｂｅｅｎａｋｋｅｒらはフィジカルレビュー誌
（Ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｒｅｖｉｅｗ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ
，１９８９，Ｖｏｌ．６３，ｐ．１８５７）において、
幅が平均自由行程より小さい半導体細線から広い半導体
領域へ放射された電子は、開口部の形状効果により強い
指向性を持つことを報告している。この場合、細線の幅
はフェルミ波長程度である必要はなく、平均自由行程以
下であればよい。通常、細線内を走行する電子は、細線
の側面で鏡面的に散乱し、入射角と反射角は同一となる
ので、一般的には集束しない。しかし、細線の開口部に
おいて幅が広がって喇叭状になっている場合、その領域
で反射した電子は集束する方向に進行する。細線の微細
加工の精度が不十分な場合、細線の開口幅が必然的に広
がってしまう場合が多い、このとき、この様な集束効果
が起こる。

【００１０】また、ゲート電極による電子の進行方向の
偏向に関する報告を紹介する。Ｊ．Ｓｐｅｃｔｏｒらは
アプライドフィジックスレター（ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙ
ｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９０，Ｖｏｌ．５６
，ｐ．２４３３）において、チャネル領域に接しプリズ
ムの形状をもつゲート電極により電子の進行方向を偏向
する実験に関して報告している。図７（ｂ）の様にチャ
ネル領域７に接するプリズム状のゲート電極３の直下を
走行する電子は、ゲート電極下部領域とそれ以外の領域
との電子密度の相違により、その境界線で屈折する。図
中の矢印は電子の軌道を示す。ゲート電極に接していな
いチャネル領域の電子面密度をｎ１　，ゲート電極の接
している領域の電子密度をｎ２　とし、電子がゲート電
極領域に向かってその境界線の法線に対し角度θ１　で
入射し、境界線で屈折し、角度θ２　で透過した場合、
ｓｉｎθ１　／ｓｉｎθ２　＝（ｎ２　／ｎ１　）１／
２の関係が成り立つ事が報告されている。ただし、この
現象を起こさせるには、少なくともゲート電極の寸法が
平均自由行程以下である必要がある。

【００１１】これらの報告からわかるように、電子の平
均自由行程以下、あるいは電子のフェルミ波長程度の微
細構造を形成することにより、電子の進行方向を人工的
に変調できる。現在、高電子移動度トランジスタの平均
自由行程は低温において１００μｍ程度までになり、ま
たフェルミ波長は０．０５μｍ程度であるので、現在の
微細加工技術により電子の進行方向を制御する素子を製
造することは可能である。

【００１２】本発明では、チャネルの微細構造化により
チャネル電子の進行方向を制御し、電子面密度の変調の
みならず、電子の平均速度を向上させ、かつ微細な構造
をもつゲート電極による速度変調を行なう電界効果トラ
ンジスタを提供する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、相互の距離が
電子の平均自由行程以下であるドレイン電極およびソー
ス電極と、該ソース電極および該ドレイン電極とを電気
的に接続しているチャネル領域と、該ソース電極と該ド
レイン電極の間に位置し該チャネル領域と接しているゲ
ート電極と、該チャネル領域のうち該ゲート電極と接触
している付近を除いた領域を該ソース電極と該ドレイン
電極を結ぶ方向に対して平行に縞状に絶緑分離しかつ分
離されたそれぞれの細線状チャネルの幅をチャネル電子
の平均自由行程以下とする絶緑領域を有することを特徴
とする電界効果トランジスタを提供する。

【００１４】また、本発明は、相互の距離が電子の平均
自由行程以下であるドレイン電極およびソース電極と、
該ソース電極および該ドレイン電極とを電気的に接続し
ているチャネル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極
の間に位置し該チャネル領域と接しかつ該チャネル領域
と接した面のうち該ソース電極あるいは該ドレイン電極
側の境界線が鋸状になっているゲート電極と、該チャネ
ル領域のうち該ゲート電極と接触している付近を除いた
領域を該ソース電極と該ドレイン電極を結ぶ方向に対し
て平行に該ゲート電極の境界線形状の周期と同周期で縞
状に絶緑分離する絶緑領域を有することを特徴とする電
界効果トランジスタを提供する。

【００１５】また、本発明は、相互の距離が電子の平均
自由行程以下であるドレイン電極およびソース電極と、
該ソース電極および該ドレイン電極とを電気的に接続し
ているチャネル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極
の間に位置し該チャネル領域と接しかつ該チャネル領域
と接した面のうち該ソース電極あるいは該ドレイン電極
側の境界線が円弧状の曲線を周期的に配置した形状に変
化しているゲート電極と、該チャネル領域のうち該ゲー
ト電極と接触している付近を除いた領域を該ソース電極
と該ドレイン電極を結ぶ方向に対し平行に該ゲート電極
の境界線形状の周期と同周期で縞状に絶緑分離する絶緑
領域を有することを特徴とする電界効果トランジスタを
提供する。

【００１６】また、本発明は、相互の距離が電子の平均
自由行程以下であるドレイン電極およびソース電極と、
該ソース電極および該ドレイン電極とを電気的に接続し
ているチャネル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極
の間に位置し該チャネル領域と接しているゲート電極と
、該チャネル領域のうち該ゲート電極と接触している付
近を除いた領域を該ソース電極と該ドレイン電極を結ぶ
方向に対して平行に縞状に絶緑分離しかつ分離されたそ
れぞれの細線状チャネルの幅をチャネル電子のフェルミ
波長程度とする絶緑領域を有することを特徴とする電界
効果トランジスタを提供する。

【００１７】また、本発明は、相互の距離が電子の平均
自由行程以下であるドレイン電極およびソース電極と、
該ソース電極および該ドレイン電極とを電気的に接続し
ているチャネル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極
の間に位置し該チャネル領域と接しているゲート電極と
、該チャネルのうち該ゲート電極と接触している領域付
近を除いた領域を該ソース電極と該ドレイン電極を結ぶ
方向に対して平行に縞状に絶緑分離しかつ分離されたそ
れぞれの細線状チャネルの幅をチャネル電子の平均自由
行程以下とし該細線状チャネルの該ゲート側の終端の幅
を喇叭状に広げる絶緑領域を有することを特徴とする電
界効果トランジスタを提供する。

【００１８】

【作用】上述の構造を有する電界効果トランジスタにお
いては、ソース電極からゲート電極付近までチャネルが
細線状になっている。この細線状チャネルは、前述の量
子ポイントコンタクトあるいは細線に相当し、電子の進
行方向を集束させる働きをもつ。ただし、細線の幅はす
くなくとも平均自由行程以下である事が必要である。細
線の開口部分は特に積極的に幅を広げる必要はないが、
予め開口部が喇叭状になるように設計すると、さらに集
束の効果は高まる。また細線の幅をフェルミ波長程度に
狭める事により１次元準位化による集束効果が相乗され
る事になるので、電子の集束効果は高まる。

【００１９】この細線状チャネルから発する電子は、ゲ
ート電極に対し垂直に入射させることができる。そのた
め、電子がランダムな方向から入射する場合に比べて平
均速度は増大する。

【００２０】ドレイン側の細線状チャネルは、ソース電
極側から直進してきた電子を吸収する働きを持つ。ドレ
イン電極側のチャネルに関しても細線状にする事により
、直進入射をする電子の透過確率を増大させる事が可能
である。

【００２１】ゲート電極によってチャネルの電子密度を
低下させた場合、スクリーニング効果の減少により電子
の直進性が低下するので、電子の進行方向を拡散させる
目的としては通常のゲート電極構造で十分である。電子
のゲート電極下部において散乱された電子は絶緑領域な
どで後方散乱し、大きなコンダクタンスの変化を呈する
。

【００２２】ゲート電極を電子の進行方向を分散させる
のに適当な形状を有しているとなお積極的な電子速度の
制御が可能となる。まず、ゲート電極をプリズム状にす
る事により進行方向を変更させることができる。また、
ゲート電極をレンズ状にする事により進行方向を分散さ
せることが可能となる。このようにチャネルおよびゲー
ト電極を微細加工することにより電子の平均速度の向上
と電子速度の積極的な変調を行うことが可能となる。

【００２３】

【実施例】図１は、本発明の電界効果トランジスタの１
実施例の上面図である。ソース電極１とドレイン電極２
の間のチャネル領域７に縞状に絶緑領域６があるのが従
来の電界効果トランジスタとの相違点である。ただし、
ゲート電極３下部とその近傍には絶緑領域は存在しない
。電子は絶緑領域の間を通過し、集束化されてゲート電
極方向に進行する。ゲート下部においても散乱されずに
通過した場合、対向したドレイン電極側の細線状チャネ
ルに入射する。ゲート電極を正バイアスにした場合、そ
の領域でのスクリーニング効果は減少することから、電
子の直進性は減少する。電子の軌道がゲート電極によっ
て曲げられると、対向する細線状チャネルに入射する事
ができないのでコンダクタンスは極度に減少する。ゲー
ト電圧が印加されていない状態では電子の進行方向は直
進的である必要があるので、ソース電極とドレイン電極
の間隔はチャネル電子の平均自由行程以下である必要が
ある。大きい平均自由行程を得るために、チャネル領域
をＧａＡｓ層、およびＡｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ層で構
成すれば、一層の効果が期待される。絶緑領域は、イオ
ン注入により不活性化させるか、あるいはエッチングを
行なって形成すればよい。

【００２４】図２は、本発明の別の１実施例の上面図で
ある。これは、ゲート電極がチャネルと接している面の
うちドレイン電極側の境界線が鋸状になっていることが
特徴である。この鋸状の境界線はソース電極側のみあっ
てもよいし、ソース電極、ドレイン電極側のどちらにも
あってもよい。この様なゲート電極であると、ちょうど
プリズムの様な効果が存在し、より積極的に電子の進行
方向を偏向させることが可能である。ただし、ゲート電
圧をさらに大きくするとドレイン側の隣接した細線チャ
ネルへ入射することになるので、コンダクタンスに周期
的な変動が生じるので注意しければならない。

【００２５】図３は、本発明の別の１実施例の上面図で
ある。これは、ゲート電極がチャネルと接している面の
うちドレイン電極側の境界線がレンズを連結した様な形
状をもっている。このレンズを連結したような境界線形
状は、ソース電極側にのみあっても良いし、ソース電極
、ドレイン電極側のどちらにあってもよい。また、前述
の鋸状境界線と組み合わせた形状でもよい。この様なゲ
ート電極構造であると、ちょうどレンズのような効果が
存在し、対向した細線に焦点をあわせ、コンダクタンス
を増加させることも可能であるし、また焦点をずらして
進行方向を拡散させ、コンダクタンスを減少させること
が可能である。

【００２６】図４は、本発明の別の１実施例の上面図で
ある。これは、チャネルの幅をフェルミ波長程度に減少
させた事に特徴がある。この場合、電子は１次元的なエ
ネルギー準位の最低準位を占めるようになり、電子の横
方向の運動は制限される。この状態で細線から噴出した
場合、電子は断熱的に状態変化し、最終的に電子の進行
方向が集束された状態となる。

【００２７】図５は、本発明の別の１実施例の上面図で
ある。これはチャネルの幅を開口部で広げた形状となっ
ている。ただしこの場合、チャネルの幅は電子のフェル
ミ波長程度まで狭くする必要はなく、平均自由行程以下
であればよい。この場合、チャネルの境界と鏡面的に反
射し、電子の進行方向が前方に集束する。

【００２８】以上の実施例ではＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
系材料を用いたが、ＩｎＰ系材料等他の半導体材料にも
適用できる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の電界効果トランジスタでは、チ
ャネルを走行する電子の量をゲート電極により変調する
だけでなく、電子の平均速度を増大させることができ、
かつゲート電極により電子の進行方向を制御することが
可能となる。電子の量とともに電子の進行方向も同時に
変化させることにより、相互コンダクタンスが増大する
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の電界効果トランジスタの上面
図である。

【図２】本発明の実施例の電界効果トランジスタの上面
図である。

【図３】本発明の実施例の電界効果トランジスタの上面
図である。

【図４】本発明の実施例の電界効果トランジスタの上面
図である。

【図５】本発明の実施例の電界効果トランジスタの上面
図である。

【図６】従来の電界効果トランジスタの構造図である。 図６（ａ）は上面図、（ｂ）は横断面図である。

【図７】電子の進行方向を説明する図である。図７（ａ
）は量子ポイントコンタクトの上面図、（ｂ）はプリズ
ム状のゲート電極を示す。

【符号の説明】

１　　ソース電極 ２　　ドレイン電極 ３　　ゲート電極 ６　　絶緑領域 ７　　チャネル領域 ７１　　ＧａＡｓ層 ７２　　Ａｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ａｓ層 ８　　電子の軌道

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　相互の距離が電子の平均自由行程以下
   であるドレイン電極およびソース電極と、該ソース電極
   および該ドレイン電極とを電気的に接続しているチャネ
   ル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極の間に位置し
   該チャネル領域と接しているゲート電極と、該チャネル
   領域のうち該ゲート電極と接触している付近を除いた領
   域を該ソース電極と該ドレイン電極を結ぶ方向に対して
   平行に縞状に絶緑分離しかつ分離されたそれぞれの細線
   状チャネルの幅をチャネル電子の平均自由行程以下とす
   る絶緑領域を有することを特徴とする電界効果トランジ
   スタ。
2. 【請求項２】　　相互の距離が電子の平均自由行程以下
   であるドレイン電極およびソース電極と、該ソース電極
   および該ドレイン電極とを電気的に接続しているチャネ
   ル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極の間に位置し
   該チャネル領域と接しかつ該チャネル領域と接した面の
   うち該ソース電極あるいは該ドレイン電極側の境界線が
   鋸状になっているゲート電極と、該チャネル領域のうち
   該ゲート電極と接触している付近を除いた領域を該ソー
   ス電極と該ドレイン電極を結ぶ方向に平行に該ゲート電
   極の境界線形状の周期と同周期で縞状に絶緑分離する絶
   緑領域を有することを特徴とする電界効果トランジスタ
   。
3. 【請求項３】　　相互の距離が電子の平均自由行程以下
   であるドレイン電極およびソース電極と、該ソース電極
   および該ドレイン電極とを電気的に接続しているチャネ
   ル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極の間に位置し
   該チャネル領域と接しかつ該チャネル領域と接した面の
   うち該ソース電極あるいは該ドレイン電極側の境界線が
   円弧状の曲線を周期的に配置した形状に変化しているゲ
   ート電極と、該チャネル領域のうち該ゲート電極と接触
   している付近を除いた領域を該ソース電極と該ドレイン
   電極を結ぶ方向に平行に該ゲート電極の境界線形状の周
   期と同周期で縞状に絶緑分離する絶緑領域を有すること
   を特徴とする電界効果トランジスタ。
4. 【請求項４】　　相互の距離が電子の平均自由行程以下
   であるドレイン電極およびソース電極と、該ソース電極
   および該ドレイン電極とを電気的に接続しているチャネ
   ル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極の間に位置し
   該チャネル領域と接しているゲート電極と、該チャネル
   領域のうち該ゲート電極と接触している付近を除いた領
   域を該ソース電極と該ドレイン電極を結ぶ方向に対して
   平行に縞状に絶緑分離しかつ分離されたそれぞれの細線
   状チャネルの幅をチャネル電子のフェルミ波長程度とす
   る絶緑領域を有することを特徴とする電界効果トランジ
   スタ。
5. 【請求項５】　　相互の距離が電子の平均自由行程以下
   であるドレイン電極およびソース電極と、該ソース電極
   および該ドレイン電極とを電気的に接続しているチャネ
   ル領域と、該ソース電極と該ドレイン電極の間に位置し
   該チャネル領域と接しているゲート電極と、該チャネル
   のうち該ゲート電極と接触している領域付近を除いた領
   域を該ソース電極と該ドレイン電極を結ぶ方向に対して
   平行に縞状に絶緑分離しかつ分離されたそれぞれの細線
   状チャネルの幅をチャネル電子の平均自由行程以下とし
   該細線状チャネルの該ゲート側の終端の幅を喇叭状に広
   げる絶緑領域を有することを特徴とする電界効果トラン
   ジスタ。