JPH0454394B2 - - Google Patents

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JPH0454394B2
JPH0454394B2 JP56071573A JP7157381A JPH0454394B2 JP H0454394 B2 JPH0454394 B2 JP H0454394B2 JP 56071573 A JP56071573 A JP 56071573A JP 7157381 A JP7157381 A JP 7157381A JP H0454394 B2 JPH0454394 B2 JP H0454394B2
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Junichi Nishizawa
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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
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/7722Field effect transistors using static field induced regions, e.g. SIT, PBT
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    • 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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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、トンネル注入層をキヤリアの注入源
とし、走行時間効果を用いた三端子半導体装置に
関するものである。
トンネル注入型走行時間効果負性抵抗素子(以
下タンネツトダイオードと略す)は逆方向にバイ
アスされたp−nダイオードのトンネル降伏によ
るトンネル注入されたキヤリアの走行時間効果に
より負性抵抗を得るダイオードである。なだれ降
伏を利用した走行時間負性抵抗素子(インパクツ
ダイオード)に比較して、タンネツトダイオード
は、トンネル注入を用いるので動作電圧が低いこ
と、動作層が薄くできるので発振周波数が高い、
さらに雑音が小さいという優れた特徴を有してい
る。タンネツトダイオードについては、特公昭47
−11095号公報及び半導体研究第13巻(1977年7
月10日、工業調査会発行)第89頁乃至第111頁に
示されている。走行時間効果やなだれ降伏効果を
利用した半導体素子としての三端子半導体装置が
特開昭50−2878号公報に示されている。なだれ注
入による発振は半導体層が厚いことが必要で、高
周波化できないこと又、なだれ注入は正孔と電子
の衝突電離現象であるために非常に雑音が大き
く、実用には適しないものである。この特許出願
には『キヤリアの発生源としては、要するに高電
界で起こるものならばツエナー原理によるもので
もトンネル原理によるものでも制御用電極から制
御可能である。』と説明されているが、その具体
的な構造については全く記載されていない。
本発明の目的は、トンネル注入を制御すること
により、超高速で動作する新規な三端子半導体装
置を提供することである。
ソース領域からトンネル注入されるキヤリアを
静電的に制御する半導体デバイスは、すでに本発
明者により出願されている。(特許第1560100号
(特公昭平1−35508号)「トンネル注入制御半導
体デバイス」)。
以下図面を参照しながら本発明を詳細に説明す
る。
まずp+−n接合ダイオードに逆バイアスを加
えた場合のトンネル電流について述べる。直接遷
移型トンネル電流密度の式は次式で与えられる。
J=√2q3m*1/2Va/4π3h2εg 1/2exp (−πm*1/2εg 3/2/2√2qEh) …(1) ただし、q:単位電荷、m*:有効質量、h=
2π:ブランク定数、εg:バンドギヤツプ、
Va:印加電圧、及びEはp+n接合の最大電界で、 E={2qND(Va+Vbi)/εS1/2 …(2) で与えられる。ここで、ND:n領域の不純物密
度、εS:半導体の誘電率、Vbi:p+n接合の拡散電
位である。式(1)、(2)で与えられるp+n接合の逆方
向トンネル電流密度の逆方向印加電圧Va依存性
を第1図に示す。
第1図は、半導体材料をGaAsとして計算した
結果である。従つて、εg=1.43eV、εS=10.9εp
ある。εpは真空の誘電率である。
m*=(1/me *+1/mlh*-1 であり、me *=0.068mD、mlh*=0.12mDである。
mDは自由電子の質量である。第1図には、電流
密度が実線で、電界強度が点線で示されている。
Nは、n領域の不純物密度である。Nが大きくな
るにつれ空乏層幅が狭くなり、電界Eが大きくな
るから、電流密度は大きくなる。たとえば、N=
3×1018cm-3では、電圧1Vで3×103A/cm2の電
流密度が得られる。
p+−n−n+のタンネツトダイオードからは最
高338GHz、p+−n+−i(ν)−n+型のタンネツト
ダイオードからは、最高301GHzのサブミリ波発
振が得られている。
本発明のトンネル注入型走行時間効果三端子半
導体装置の構造を第2図に示す。
1は、p++層、2はn+層でこの領域がトンネル
注入層となるべき領域である。トンネル注入を効
率良く生起させるために、直接遷移のトンネル注
入が生起する材料を用いる。3はn層でトンネル
注入されたキヤリアの走行領域である。4は絶縁
物あるいは禁制帯幅が1、2、3の半導体よりも
大きい半導体層、5は制御電極である。6はn+
層で7はp++層の電極、8はn+層の電極である。
ダイオード領域のp++層1をソース、n+層6を
ドレイン、5の制御電極をゲートと呼ぶ。
5のゲート電極は絶縁膜ないしはヘテロ接合に
よりトンネル注入されたキヤリアの走行領域3の
電位分布を制御している。
2に接する絶縁膜あるいは禁制帯幅の異なる半
導体層4は薄い程、有効にゲート電圧がn+2領域
に加わる。ドレインに正電圧を印加した状態のソ
ース・ドレイン方向の電位分布を第3図に示す。
aはゲートにも正電圧を加えて導通状態になつた
ときの電位分布、bはゲートを零電位(ソースも
同電位)としたときの遮断状態での電位分布であ
る。aでは、ゲートに正電圧が加わつているた
め、ソース前面の電位の勾配がより急峻になつて
おり、bではゲート電圧により、よりゆるやかに
なつている。この勾配から決まる電界Eがaでは
大きいからトンネル電流が流れ、bではEが小さ
いからトンネル電流が流れない。第3図に示すよ
うに電流通路となるチヤンネルの電位分布が容量
結合すなわち静電誘導効果により制御され、ソー
スからのトンネル電流が制御されることから、本
発明のトランジスタは、静電誘導トンネル走行時
間効果トランジスタ(Static Induced Tunnel
Transit Time Transistor:SIT)と呼ばれる。
第4図は第2図の素子の具体的な実施例であ
る。
各領域の不純物密度は、ゲート・ゲート間隔に
もよるが、p++領域11:5×1019〜1×1021cm-3
n+12:5×1017〜1×1019cm、n13:1×1014〜1
×1017cm-3、n+14:1×1018〜5×1020cm-3であ
る。n+12、n13各領域の不純物密度は、ゲート・
ゲート間隔が短いほど、またソース・ドレイン間
隔が短いほど高くする。ゲート領域は基板の表面
より凹形に掘り込んだチヤンネルの側壁部に形成
している。ゲート領域の構造は第2図で説明して
いる。このような構造により、ソースから注入さ
れるトンネル電流を効率良く制御できる。ゲー
ト・ゲート間隔はたとえば2μm以下から1000Å
程度である。n+層12の厚さはトンネル注入が生
起するのに充分な厚さでよく、おおよそ1000Å以
下で十分である。n+層12の厚さWtはqεg/Ex程度ま では薄くすることが望ましい。ここでExはp++
n+接合部の電界強度、εgは禁制帯幅、qは単位電
荷である。Ex=1MV/cm、εg=1eVとしたとき
に、Wt=100Åとなる。トンネル注入層となるn+
層12が十分に薄くキヤリアの走行時間が無視でき
るとすればn層13の厚さは負性抵抗を得る為には
走行角をおおよそπから2πラジアンとなるよう
に第2図に示されるn層の厚さWを決定すればよ
い。走行角θは2πfW/υで表される。ここでfは動 作周波数、Wはn層の厚さ、υは電子の速度であ
る。
第5図は、走行角3/2πラジアンとしたとき
のW=3υ/4fとfの関係を示している。
キヤリアの速度を1×107cm/sec、f=1000G
HzとしたときにWは750Åとなる。同様に、キヤ
リアの速度を1×107cm/sec、f=100GHzでは
Wは0.75μmsとなり、ミリ波帯以上の周波数
(30GHz)以上で動作させようとすれば、Wとし
てはおおよそ3μm以下にすればよい。ここでキ
ヤリアの速度は素子の温度、走行領域の電界強
度、不純物密度そして絶縁層ないしは禁制帯幅の
大きい半導体層の厚さ、不純物密により大きく変
化する。第5図にはキヤリアの速度が0.8×107
cm/secより1×108cm/secまでの値が得られて
いる。
p++層11及び、n+層14は直列抵抗と熱抵抗を下
げるために薄くする必要がある。p++層11を放熱
体に接続するときには熱抵抗を下げるには0.5μm
以下の厚さとするのが望ましい。トンネル電流を
多く流そうとすればn+12領域の不純物密度は高
い方がよく、またその厚さは薄い方がよい。例え
ば厚さは0.2μmから0.01μmといつたようにであ
る。n+12領域の厚さが薄くなつたときには、ゲ
ート・ゲート間隔も狭くする必要がある。チヤン
ネル全面をより有効に制御して電流を流すように
するためである。たとえば、1μmから0.1μmとい
つたようにである。
第4図の構造をマルチチヤンネル構造にしたも
のが第6図である。各領域の番号は第4図に対応
する。
同じく第4図の構造を集積化構造にしたものが
第7図である。p基板17上に本発明のトランジス
タが作られており、n+ドレイン領域14は埋め込
み領域になつている。p+領域18は分離領域であ
る。分離は、絶縁物分離でもよい。切り込みを
n+領域14まで到達させれば、プロセスはさらに
簡単になる。電極17′は必ずしも前面にある必要
はない。
絶縁層16はSiであればSiO2、Si3N4、Al2O3
AlN等もしくはこれらの複合膜、GaAsであれ
ば、GaOx、Si3N4、Al2O3、AlN等である。
また16を禁制帯幅の大きい半導体層とする場合
には、チヤンネルとなる半導体がGaAsであれ
ば、例えばGaxAl1-xAs(xとして例えば0.3)の
−族化合物半導体混晶等とする。
ソースからトンネル注入された電子が、ドレイ
ンまでの走行領域をドリフトで走行する場合と、
殆ど散乱を受けずに次第に加速されながら走行す
る場合とがある。この両者が現れるのは、電子が
散乱を受ける平均自由行程と走行空間の距離の関
係で決まる。走行空間距離が自由行程にくらべて
十分長ければ、ドリフト走行になる。そうでなけ
れば初速度と電界により次第に加速される走行と
なる。SiにくらべてGaAsの自由行程は数倍以上
長いといわれている。
従つて、GaAsの方が後者の電子の運動が現れ
易い。
電子が散乱をあまり受けずに走行するようにな
ると電子の走行速度は早くなり、走行時間から決
まる上限周波数は極めて高くなる。
これまでの実施例では、トンネル注入を起こす
ソースとソースに直接隣接する領域の不純物密度
は空間的に一様であるように述べてきたが、必ず
しも一様である必要はない。トンネル注入を最も
強く起こしたい所の不純物密度を高くしてトンネ
ル注入効率を高くすることもできる。
本発明の半導体デバイスがここで述べた実施例
に限定されないことはもちろんである。導電型を
反転した構造でもよいことはもちろんである。い
ずれにしても、ソースからキヤリアをトンネル注
入で注入させ、その注入量をゲート電圧及びドレ
イン電圧の静電誘導効果で制御する構造の半導体
装置でトンネル注入されたキヤリアの走行時間効
果で負性抵抗を得ればよい。トンネル注入を効率
よく起こすには、不純物密度は高い方がよい。し
かもその領域を空乏化して容量結合で電位分布制
御しようというのであるから、本発明の半導体デ
バイスは、本質的に微細化されたデバイスであ
る。個別デバイスはもとより超高密度超高速集積
回路に最適である。デバイスの寸法が小さくなれ
ばなる程有効である。しかも、高不純物密度領域
から直接トンネルでキヤリアを注入させているか
ら、ソース近傍のキヤリアの蓄積効果が極めて少
なく高速動作に極めて適する。
本発明の半導体デバイスは、従来公知の製造技
術で作ることができ、小さな電圧で、超高周波ま
で動作し低雑音な三端子半導体装置を実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は半導体材料をGaAsとして計算した結
果、第2図、第4図、第6図及び第7図は本発明
の実施例を示す断面図、第3図はソース・ドレイ
ン方向の電位分布で、aは導通状態、bは遮断状
態である。第5図はトンネル注入されたキヤリア
の速度を与えたときの走行領域Wと周波数fの関
係を示す図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 第1導電型の高不純物密度領域よりなるソー
    ス領域の少なくとも一部に接して直接遷移のトン
    ネル注入を起こす第1導電型とは反対の第2導電
    型の薄い高不純物密度領域、第2導電型の低不純
    物密度より形成されるチヤンネル領域、第2導電
    型の高不純物密度領域よりなるドレイン領域を設
    け前記チヤンネルは動作状態ではほぼ空乏層に
    し、前記ソースよりチヤンネルを凹状に形成した
    側壁部に絶縁層乃至はソース及びチヤンネルより
    も禁制帯幅の大きい半導体によるゲート領域と制
    御電極を設け、チヤンネル中へトンネル注入され
    たキヤリアの走行角がおおよそπから2πラジア
    ンとなることを特徴とするトンネル注入型走行時
    間効果三端子半導体装置。
JP7157381A 1981-05-12 1981-05-12 Tunnel injection type travelling time effect semiconductor device Granted JPS57186374A (en)

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JPH0614534B2 (ja) * 1984-07-26 1994-02-23 新技術事業団 半導体集積回路
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JPS502878A (ja) * 1973-05-10 1975-01-13

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