JPH05190834A - 高速動作半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
高速動作半導体装置およびその製造方法Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor 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
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types 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
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- H01L29/7376—Resonant tunnelling transistors
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ホットエレクトロン注入源となるエミッタ層
と、ベース層とコレクタ層との間に配置されたコレクタ
バリア層とを有する高速動作半導体装置において、高速
性をそこなうことなくＯＮ状態での電流密度を上げ、又
ＯＦＦ状態での電流密度を低下させ、より高性能の素子
を得る。 【構成】 ベース層４とコレクタ層６との間に配置され
たコレクタバリア層５Ａのエネルギーバンドのポテンシ
ャルプロファイルを、ベース層との界面近傍領域よりグ
レーデッドに変化させ、エミッタ層１から注入される電
子のコレクタバリア層端部での反射を抑制した。
と、ベース層とコレクタ層との間に配置されたコレクタ
バリア層とを有する高速動作半導体装置において、高速
性をそこなうことなくＯＮ状態での電流密度を上げ、又
ＯＦＦ状態での電流密度を低下させ、より高性能の素子
を得る。 【構成】 ベース層４とコレクタ層６との間に配置され
たコレクタバリア層５Ａのエネルギーバンドのポテンシ
ャルプロファイルを、ベース層との界面近傍領域よりグ
レーデッドに変化させ、エミッタ層１から注入される電
子のコレクタバリア層端部での反射を抑制した。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、トンネル障壁、あるい
は共鳴トンネル障壁を通過して、ベース領域にキャリア
を注入する形式の高速動作半導体装置およびその製造方
法に関するものである。また、本発明はエミッタ・ベー
ス間がヘテロ接合によりなるバイポーラ型半導体装置に
おいて、その電流増幅率を向上できる高速動作半導体装
置に関するものである。
は共鳴トンネル障壁を通過して、ベース領域にキャリア
を注入する形式の高速動作半導体装置およびその製造方
法に関するものである。また、本発明はエミッタ・ベー
ス間がヘテロ接合によりなるバイポーラ型半導体装置に
おいて、その電流増幅率を向上できる高速動作半導体装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ホットエレクトロン注入された電子をベ
ース中をバリスティックに伝導させることにより、高速
動作半導体装置を実現しようという試みがなされてい
る。また、近年では共鳴トンネル効果による負性抵抗と
ホットエレクトロンの高速性を利用した新しい形式の高
速半導体装置が提案され、注目を集めた。図２０(a) ，
(b) は、例えば特開昭６２−２０３３７１号公報に示さ
れた従来の共鳴トンネル効果を利用するホットエレクト
ロントランジスタ（以下、ＲＨＥＴ：Resonant−tunnel
ling Hot Electron Transistorという）を説明するため
の図であり、図２０(a) は主要部分の断面構造図、図２
０(b) は図２０(a) に対応させたエネルギーダイヤグラ
ム図である。図において、１はｎ+ −ＧａＡｓエミッタ
層（以下、エミッタ層という）、２はｉ−Ａｌx Ｇａ1-
x Ａｓポテンシャルバリア層（以下、ポテンシャルバリ
ア層という）、３はｉ−ＧａＡｓウエル層（以下、ウエ
ル層という）、４はｎ−ＧａＡｓベース層（以下、ベー
ス層という）、５はｉ−ＡｌyＧａ1-y Ａｓコレクタバ
リア層（以下、コレクタバリア層という）、６はｎ−Ｇ
ａＡｓコレクタ層（以下、コレクタ層という）、７１は
エミッタ電極、７２はベース電極、７３はコレクタ電
極、８は共鳴準位、９はフェルミ準位である。ウエル層
３は２つのポテンシャルバリア層２に挟まれた構造とな
っており、ウエル層３には共鳴準位８が形成され、エミ
ッタ側の共鳴トンネル障壁を構成している。ウエル層
３、ポテンシャルバリア層２の厚みはそれぞれ概略、６
ｎｍ，５ｎｍである。
ース中をバリスティックに伝導させることにより、高速
動作半導体装置を実現しようという試みがなされてい
る。また、近年では共鳴トンネル効果による負性抵抗と
ホットエレクトロンの高速性を利用した新しい形式の高
速半導体装置が提案され、注目を集めた。図２０(a) ，
(b) は、例えば特開昭６２−２０３３７１号公報に示さ
れた従来の共鳴トンネル効果を利用するホットエレクト
ロントランジスタ（以下、ＲＨＥＴ：Resonant−tunnel
ling Hot Electron Transistorという）を説明するため
の図であり、図２０(a) は主要部分の断面構造図、図２
０(b) は図２０(a) に対応させたエネルギーダイヤグラ
ム図である。図において、１はｎ+ −ＧａＡｓエミッタ
層（以下、エミッタ層という）、２はｉ−Ａｌx Ｇａ1-
x Ａｓポテンシャルバリア層（以下、ポテンシャルバリ
ア層という）、３はｉ−ＧａＡｓウエル層（以下、ウエ
ル層という）、４はｎ−ＧａＡｓベース層（以下、ベー
ス層という）、５はｉ−ＡｌyＧａ1-y Ａｓコレクタバ
リア層（以下、コレクタバリア層という）、６はｎ−Ｇ
ａＡｓコレクタ層（以下、コレクタ層という）、７１は
エミッタ電極、７２はベース電極、７３はコレクタ電
極、８は共鳴準位、９はフェルミ準位である。ウエル層
３は２つのポテンシャルバリア層２に挟まれた構造とな
っており、ウエル層３には共鳴準位８が形成され、エミ
ッタ側の共鳴トンネル障壁を構成している。ウエル層
３、ポテンシャルバリア層２の厚みはそれぞれ概略、６
ｎｍ，５ｎｍである。
【０００３】次に、このＲＨＥＴの動作原理について説
明する。図２１(a) 〜(c) は、ＲＨＥＴの動作原理を説
明するためのエネルギーダイヤグラム図である。各図は
エミッタ層１とコレクタ層６の間に一定の電圧ＶECが加
わっている状態を表している。図において、図２０と同
一符号は同一又は相当部分であり、１００はホットエレ
クトロンである。図２１(a) はエミッタ層１とベース層
４の間の電圧ＶBEが０の場合のエネルギーダイヤグラム
を示している。図２１(a) の状態では、ウエル層３に形
成された共鳴準位８がエミッタ層１のフェルミ準位９よ
りエネルギー的に高いため、エミッタ層１からベース層
４への共鳴トンネル効果は起こらず、電流は流れない。
しかし、図２１(b) に示すように、エミッタ層１側のエ
ネルギー準位とウエル層３に形成される共鳴準位８が一
致するようなベース電圧（ＶBE＝ＶR ）を加えると、共
鳴トンネル効果により電子はベース領域に注入される。
この電子はホットエレクトロン１００としてベース層４
およびコレクタバリア層５をバリスティックに伝導し、
コレクタ層６に到達する。この状態において、エミッタ
層１とコレクタ層６との間に電流が流れ、ＲＨＥＴはＯ
Ｎ状態となる。さらに、ベース電圧ＶBEを増加し、図２
１(c) に示すように、共鳴準位８がエミッタ層１の伝導
帯の下端よりもエネルギー的に低くなるようにベース電
圧ＶBEを設定すると、共鳴トンネル効果は起こらなくな
り、ＲＨＥＴは再びＯＦＦ状態となる。このようにＲＨ
ＥＴの電圧−電流特性はＶBE＝ＶR にピーク電流値を持
つ、いわゆる微分負性抵抗特性を示す。ＲＨＥＴを多値
論理回路として用いる場合、ＯＮ状態とＯＦＦ状態との
電流密度の比、即ちＰ／Ｖ比が十分に高いことが重要で
あり、実用的には２０程度のＰ／Ｖ比が必要であるとさ
れている。コレクタバリア層５はこの一連の動作の中
で、ベース層４とコレクタ層６の間に十分な絶縁性を保
ち、無散乱のホットエレクトロン１００のみを効率よく
コレクタ層６に到達させる役割を担う。即ち、図２１
(b) の状態において、コレクタバリア層５のエネルギー
を共鳴準位８と一致するように設計することにより、ベ
ース層４中で散乱を受け、エネルギーを失った電子はコ
レクタバリア層５を通過できなくなり、無散乱のホット
エレクトロン１００のみがコレクタ層６に到達できる。
このホットエレクトロン１００のみをトランジスタ動作
に応用することこそＲＨＥＴの高速性の本質であり、上
述の微分負性抵抗特性と合わせて、高速動作の多値論理
回路や発振器用素子として期待されている。
明する。図２１(a) 〜(c) は、ＲＨＥＴの動作原理を説
明するためのエネルギーダイヤグラム図である。各図は
エミッタ層１とコレクタ層６の間に一定の電圧ＶECが加
わっている状態を表している。図において、図２０と同
一符号は同一又は相当部分であり、１００はホットエレ
クトロンである。図２１(a) はエミッタ層１とベース層
４の間の電圧ＶBEが０の場合のエネルギーダイヤグラム
を示している。図２１(a) の状態では、ウエル層３に形
成された共鳴準位８がエミッタ層１のフェルミ準位９よ
りエネルギー的に高いため、エミッタ層１からベース層
４への共鳴トンネル効果は起こらず、電流は流れない。
しかし、図２１(b) に示すように、エミッタ層１側のエ
ネルギー準位とウエル層３に形成される共鳴準位８が一
致するようなベース電圧（ＶBE＝ＶR ）を加えると、共
鳴トンネル効果により電子はベース領域に注入される。
この電子はホットエレクトロン１００としてベース層４
およびコレクタバリア層５をバリスティックに伝導し、
コレクタ層６に到達する。この状態において、エミッタ
層１とコレクタ層６との間に電流が流れ、ＲＨＥＴはＯ
Ｎ状態となる。さらに、ベース電圧ＶBEを増加し、図２
１(c) に示すように、共鳴準位８がエミッタ層１の伝導
帯の下端よりもエネルギー的に低くなるようにベース電
圧ＶBEを設定すると、共鳴トンネル効果は起こらなくな
り、ＲＨＥＴは再びＯＦＦ状態となる。このようにＲＨ
ＥＴの電圧−電流特性はＶBE＝ＶR にピーク電流値を持
つ、いわゆる微分負性抵抗特性を示す。ＲＨＥＴを多値
論理回路として用いる場合、ＯＮ状態とＯＦＦ状態との
電流密度の比、即ちＰ／Ｖ比が十分に高いことが重要で
あり、実用的には２０程度のＰ／Ｖ比が必要であるとさ
れている。コレクタバリア層５はこの一連の動作の中
で、ベース層４とコレクタ層６の間に十分な絶縁性を保
ち、無散乱のホットエレクトロン１００のみを効率よく
コレクタ層６に到達させる役割を担う。即ち、図２１
(b) の状態において、コレクタバリア層５のエネルギー
を共鳴準位８と一致するように設計することにより、ベ
ース層４中で散乱を受け、エネルギーを失った電子はコ
レクタバリア層５を通過できなくなり、無散乱のホット
エレクトロン１００のみがコレクタ層６に到達できる。
このホットエレクトロン１００のみをトランジスタ動作
に応用することこそＲＨＥＴの高速性の本質であり、上
述の微分負性抵抗特性と合わせて、高速動作の多値論理
回路や発振器用素子として期待されている。
【０００４】また、図２３(a) は、例えば「超高速化合
物半導体デバイス」（培風館，大森正道著，1986年刊
行）に示された、従来のヘテロバイポーラ・トランジス
タ（以下ＨＢＴと略す）の構造を示すバンドダイヤグラ
ム図であり、図２３(b) は図２３(a) のバンドダイヤグ
ラムを有するＨＢＴの断面構造を示す図である。図にお
いて、３０はＧａＡｓ基板、３１はｎ型ＡｌＧａＡｓエ
ミッタ層、３２はＰ型ＧａＡｓベース層、３３はｎ−Ｇ
ａＡｓコレクタ層、９１はエミッタ電極、９２はベース
電極、９３はコレクタ電極である。また１５０は正孔、
１５１は電子である。
物半導体デバイス」（培風館，大森正道著，1986年刊
行）に示された、従来のヘテロバイポーラ・トランジス
タ（以下ＨＢＴと略す）の構造を示すバンドダイヤグラ
ム図であり、図２３(b) は図２３(a) のバンドダイヤグ
ラムを有するＨＢＴの断面構造を示す図である。図にお
いて、３０はＧａＡｓ基板、３１はｎ型ＡｌＧａＡｓエ
ミッタ層、３２はＰ型ＧａＡｓベース層、３３はｎ−Ｇ
ａＡｓコレクタ層、９１はエミッタ電極、９２はベース
電極、９３はコレクタ電極である。また１５０は正孔、
１５１は電子である。
【０００５】次に動作の説明をする。ＨＢＴでは、エミ
ッタ・ベース接合がヘテロ接合であり、ワイドバンドギ
ャップエミッタ構造であることから、エミッタへのベー
スからの少数キャリアの逆注入が小さく、エミッタ注入
効率が高く、電流利得が高い。ベース濃度を大きくして
も高い電流利得が維持でき、ベース抵抗を小さくするこ
とができる。このことから、ＨＢＴは高電流利得の駆動
能力の高い超高速動作の可能なトランジスタである。
ッタ・ベース接合がヘテロ接合であり、ワイドバンドギ
ャップエミッタ構造であることから、エミッタへのベー
スからの少数キャリアの逆注入が小さく、エミッタ注入
効率が高く、電流利得が高い。ベース濃度を大きくして
も高い電流利得が維持でき、ベース抵抗を小さくするこ
とができる。このことから、ＨＢＴは高電流利得の駆動
能力の高い超高速動作の可能なトランジスタである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来のＲＨＥＴは以上
のように構成されており、ホットエレクトロン１００の
高速性を利用するために図２１(b) の状態において、コ
レクタバリア層５のエネルギーが共鳴準位８と一致する
ように設計されているため、コレクタバリア層５におけ
る電子の反射が無視できず、ＯＮ状態での電流密度を十
分に高くできないという問題点があった。この問題点に
ついて図２２を用いて説明する。図２２はエネルギーバ
ンドのポテンシャルプロファイルが矩形状のコレクタバ
リア層５に入射した電子波の透過率を計算した結果を示
す図である。計算はシュレディンガー方程式を自己無撞
着に解くことにより行なった。計算おいては、コレクタ
バリア層５のエネルギーを０．４ｅＶとしている。電子
波の透過率は図２２に示すように、入射電子波のエネル
ギーが０．３ｅＶ付近から立ち上がりはじめ、徐々に増
加していくものの、コレクタバリア層５のエネルギーで
ある０．４ｅＶを越えても透過率は１に収束せず、入射
電子波のエネルギーの増加とともに１に漸近するように
推移する。これは入射電子波の量子力学的な効果によ
り、コレクタバリア層５の端部で電子波の反射が起こる
ためであり、このために０．４ｅＶにおける透過率は３
０％程度と低い値しか得られない。一方、コレクタバリ
ア層５の実効的なエネルギーを低くして透過率を向上さ
せることは可能であるが、その場合、ベース層中で散乱
を受けてエネルギーを失った電子も同時に透過できるよ
うになり、ＲＨＥＴの高速性が失われるという問題点が
生じる。従来のＲＨＥＴには以上のような理由で、ホッ
トエレクトロン１００のみをトランジスタ動作に応用
し、高速動作を実現しようする場合、ＯＮ状態での電流
密度を高くできないため、実用上十分なＰ／Ｖ比が得ら
れず、また、電流密度を高くしようとすると、高速性を
犠牲にしなければならないなどの問題点があった。
のように構成されており、ホットエレクトロン１００の
高速性を利用するために図２１(b) の状態において、コ
レクタバリア層５のエネルギーが共鳴準位８と一致する
ように設計されているため、コレクタバリア層５におけ
る電子の反射が無視できず、ＯＮ状態での電流密度を十
分に高くできないという問題点があった。この問題点に
ついて図２２を用いて説明する。図２２はエネルギーバ
ンドのポテンシャルプロファイルが矩形状のコレクタバ
リア層５に入射した電子波の透過率を計算した結果を示
す図である。計算はシュレディンガー方程式を自己無撞
着に解くことにより行なった。計算おいては、コレクタ
バリア層５のエネルギーを０．４ｅＶとしている。電子
波の透過率は図２２に示すように、入射電子波のエネル
ギーが０．３ｅＶ付近から立ち上がりはじめ、徐々に増
加していくものの、コレクタバリア層５のエネルギーで
ある０．４ｅＶを越えても透過率は１に収束せず、入射
電子波のエネルギーの増加とともに１に漸近するように
推移する。これは入射電子波の量子力学的な効果によ
り、コレクタバリア層５の端部で電子波の反射が起こる
ためであり、このために０．４ｅＶにおける透過率は３
０％程度と低い値しか得られない。一方、コレクタバリ
ア層５の実効的なエネルギーを低くして透過率を向上さ
せることは可能であるが、その場合、ベース層中で散乱
を受けてエネルギーを失った電子も同時に透過できるよ
うになり、ＲＨＥＴの高速性が失われるという問題点が
生じる。従来のＲＨＥＴには以上のような理由で、ホッ
トエレクトロン１００のみをトランジスタ動作に応用
し、高速動作を実現しようする場合、ＯＮ状態での電流
密度を高くできないため、実用上十分なＰ／Ｖ比が得ら
れず、また、電流密度を高くしようとすると、高速性を
犠牲にしなければならないなどの問題点があった。
【０００７】また、従来のＨＢＴは、ワイドエミッタで
あることから、前述のように高い電流利得を有するが、
ベースからの逆注入をさらに減らすことができれば、さ
らに電流利得を上げることが可能である。
あることから、前述のように高い電流利得を有するが、
ベースからの逆注入をさらに減らすことができれば、さ
らに電流利得を上げることが可能である。
【０００８】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、ＯＮ状態において、高い電流密
度を有し、実用上十分なＰ／Ｖ比を有するＲＨＥＴを得
ることを目的とする。また、本発明はコレクタバリアと
コレクタとの間の領域にスペーサ層を有する構造のＲＨ
ＥＴについても、ＯＮ状態において高い電流密度を有
し、実用上十分なＰ／Ｖ比を有するＲＨＥＴを得ること
を目的とする。
ためになされたもので、ＯＮ状態において、高い電流密
度を有し、実用上十分なＰ／Ｖ比を有するＲＨＥＴを得
ることを目的とする。また、本発明はコレクタバリアと
コレクタとの間の領域にスペーサ層を有する構造のＲＨ
ＥＴについても、ＯＮ状態において高い電流密度を有
し、実用上十分なＰ／Ｖ比を有するＲＨＥＴを得ること
を目的とする。
【０００９】また、本発明はホットエレクトロン注入源
となるエミッタ層と、ベース層とコレクタ層との間に形
成されたコレクタバリア層とを有する半導体装置、即ち
ホットエレクトロントランジスタ（以下、ＨＥＴとい
う）についても、ＯＮ状態において実用上十分な電流密
度を有するＨＥＴを得ることを目的とする。また、本発
明はＯＮ状態において高い電流密度を有し、実用上十分
なＰ／Ｖ比を有するＲＨＥＴ、及びＯＮ状態で高い電流
密度を有するＨＥＴを得ることのできる高速動作半導体
装置の製造方法を提供することを目的とする。
となるエミッタ層と、ベース層とコレクタ層との間に形
成されたコレクタバリア層とを有する半導体装置、即ち
ホットエレクトロントランジスタ（以下、ＨＥＴとい
う）についても、ＯＮ状態において実用上十分な電流密
度を有するＨＥＴを得ることを目的とする。また、本発
明はＯＮ状態において高い電流密度を有し、実用上十分
なＰ／Ｖ比を有するＲＨＥＴ、及びＯＮ状態で高い電流
密度を有するＨＥＴを得ることのできる高速動作半導体
装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】また、本発明は、ＯＮ状態において、高い
電流密度を有し、またＯＦＦ状態で十分小さな電流密度
を有し実用上十分なＰ／Ｖ比を有し、かつ、コレクタバ
リア層内での電子の不純物による散乱を低減できるＲＨ
ＥＴを得ることを目的とする。また、本発明は、ＯＮ状
態において実用上十分な電流密度を有し、かつコレクタ
バリア層内での電子の不純物による散乱を低減できるＨ
ＥＴを得ることを目的とする。また、本発明は、逆注入
電流の極めて低い、高電流利得のＨＢＴを得ることを目
的とする。
電流密度を有し、またＯＦＦ状態で十分小さな電流密度
を有し実用上十分なＰ／Ｖ比を有し、かつ、コレクタバ
リア層内での電子の不純物による散乱を低減できるＲＨ
ＥＴを得ることを目的とする。また、本発明は、ＯＮ状
態において実用上十分な電流密度を有し、かつコレクタ
バリア層内での電子の不純物による散乱を低減できるＨ
ＥＴを得ることを目的とする。また、本発明は、逆注入
電流の極めて低い、高電流利得のＨＢＴを得ることを目
的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明に係る高速動作半
導体装置は、ホットエレクトロン注入源となるエミッタ
層と、ベース層とコレクタ層との間に形成されたコレク
タバリア層とを有するものにおいて、上記コレクタバリ
ア層のエネルギーバンドのポテンシャルプロファイル
を、上記ベース層との界面近傍領域よりグレーデッドに
変化させて形成したものである。
導体装置は、ホットエレクトロン注入源となるエミッタ
層と、ベース層とコレクタ層との間に形成されたコレク
タバリア層とを有するものにおいて、上記コレクタバリ
ア層のエネルギーバンドのポテンシャルプロファイル
を、上記ベース層との界面近傍領域よりグレーデッドに
変化させて形成したものである。
【００１２】また、本発明に係る高速動作半導体装置の
製造方法は、ベース層とコレクタ層との間にコレクタバ
リア層を有する高速動作半導体装置の製造方法におい
て、上記コレクタバリア層を、その材料組成が前記ベー
ス層との界面近傍領域よりグレーデッドに変化するよう
に形成するようにしたものである。
製造方法は、ベース層とコレクタ層との間にコレクタバ
リア層を有する高速動作半導体装置の製造方法におい
て、上記コレクタバリア層を、その材料組成が前記ベー
ス層との界面近傍領域よりグレーデッドに変化するよう
に形成するようにしたものである。
【００１３】また、本発明に係る高速動作半導体装置
は、ホットエレクトロン注入源となるエミッタ層と、ベ
ース層とコレクタ層との間に形成されたコレクタバリア
層とを有する高速動作半導体装置において、上記コレク
タバリア層が、少くとも１つのトンネル防止用バリア層
と多重量子井戸層とから構成される多重量子障壁を備え
たものである。
は、ホットエレクトロン注入源となるエミッタ層と、ベ
ース層とコレクタ層との間に形成されたコレクタバリア
層とを有する高速動作半導体装置において、上記コレク
タバリア層が、少くとも１つのトンネル防止用バリア層
と多重量子井戸層とから構成される多重量子障壁を備え
たものである。
【００１４】さらに、本発明に係る高速動作半導体装置
は、ヘテロバイポーラ型の高速動作半導体装置におい
て、そのベース・エミッタ間に、ベース側から順に配置
された少くとも１つのトンネル防止用バリア層と多重量
子井戸層とから構成される多重量子障壁を備えたもので
ある。
は、ヘテロバイポーラ型の高速動作半導体装置におい
て、そのベース・エミッタ間に、ベース側から順に配置
された少くとも１つのトンネル防止用バリア層と多重量
子井戸層とから構成される多重量子障壁を備えたもので
ある。
【００１５】
【作用】本発明においては、ホットエレクトロン注入源
となるエミッタ層と、ベース層とコレクタ層との間に形
成されたコレクタバリア層とを有するものにおいて、上
記コレクタバリア層のエネルギーバンドのポテンシャル
プロファイルを、上記ベース層との界面近傍領域よりグ
レーデッドに変化しているものとしたから、コレクタバ
リア層における電子波の反射が抑制され、ＯＮ状態にお
いて高い電流密度が得られ、実用上十分なＰ／Ｖ比を得
ることができるＲＨＥＴを得ることができ、またＯＮ状
態において高い電流密度が得られるＨＥＴを得ることが
できる。また、本発明においては、ベース層とコレクタ
層との間にコレクタバリア層を有する高速動作半導体装
置の製造方法において、上記コレクタバリア層を、その
材料組成が、前記ベース層との界面近傍領域よりグレー
デッドに変化するように形成するようにしたから、コレ
クタバリア層の端部における電子波の反射を大幅に抑制
できる高速動作半導体装置を制御性よく作製できる。
となるエミッタ層と、ベース層とコレクタ層との間に形
成されたコレクタバリア層とを有するものにおいて、上
記コレクタバリア層のエネルギーバンドのポテンシャル
プロファイルを、上記ベース層との界面近傍領域よりグ
レーデッドに変化しているものとしたから、コレクタバ
リア層における電子波の反射が抑制され、ＯＮ状態にお
いて高い電流密度が得られ、実用上十分なＰ／Ｖ比を得
ることができるＲＨＥＴを得ることができ、またＯＮ状
態において高い電流密度が得られるＨＥＴを得ることが
できる。また、本発明においては、ベース層とコレクタ
層との間にコレクタバリア層を有する高速動作半導体装
置の製造方法において、上記コレクタバリア層を、その
材料組成が、前記ベース層との界面近傍領域よりグレー
デッドに変化するように形成するようにしたから、コレ
クタバリア層の端部における電子波の反射を大幅に抑制
できる高速動作半導体装置を制御性よく作製できる。
【００１６】また、本発明においては、ホットエレクト
ロン注入源となるエミッタ層と、ベース層とコレクタ層
との間に形成されたコレクタバリア層とを有する高速動
作半導体装置において、上記コレクタバリア層が、少く
とも１つのトンネル防止用バリア層と多重量子井戸層と
から構成される多重量子障壁を備えた構成としたから、
ＯＮ状態において高い電流密度が得られ、実用上十分な
Ｐ／Ｖ比を得ることができるＲＨＥＴを得ることがで
き、またＯＮ状態において高い電流密度が得られるＨＥ
Ｔを得ることができる。
ロン注入源となるエミッタ層と、ベース層とコレクタ層
との間に形成されたコレクタバリア層とを有する高速動
作半導体装置において、上記コレクタバリア層が、少く
とも１つのトンネル防止用バリア層と多重量子井戸層と
から構成される多重量子障壁を備えた構成としたから、
ＯＮ状態において高い電流密度が得られ、実用上十分な
Ｐ／Ｖ比を得ることができるＲＨＥＴを得ることがで
き、またＯＮ状態において高い電流密度が得られるＨＥ
Ｔを得ることができる。
【００１７】また、この発明においては、ヘテロバイポ
ーラ型の高速動作半導体装置において、そのベース・エ
ミッタ間に、ベース側から順に配置された少くとも１つ
のトンネル防止用バリア層と多重量子井戸層とから構成
される多重量子障壁を備えた構成としたから、逆注入電
流の極めて小さい、高電流利得を有するＨＢＴを得るこ
とができる。
ーラ型の高速動作半導体装置において、そのベース・エ
ミッタ間に、ベース側から順に配置された少くとも１つ
のトンネル防止用バリア層と多重量子井戸層とから構成
される多重量子障壁を備えた構成としたから、逆注入電
流の極めて小さい、高電流利得を有するＨＢＴを得るこ
とができる。
【００１８】
【実施例】以下、本発明の実施例を図について説明す
る。 （実施例１）図１(a) ，(b) は、本発明の第一の実施例
による高速動作半導体装置の主要断面におけるエネルギ
ーダイヤグラムを示す図であり、図１(a) は電圧が印加
されていない状態を、図１(b) は電圧が印加された状態
におけるエネルギーダイヤグラムをそれぞれ示す。図に
おいて、１はｎ+ −ＧａＡｓエミッタ層、２はｉ−Ａｌ
x Ｇａ1-x Ａｓポテンシャルバリア層、３はｉ−ＧａＡ
ｓウエル層、４はｎ−ＧａＡｓベース層、６はｎ−Ｇａ
Ａｓコレクタ層、８は共鳴準位、９はフェルミレベルで
ある。ウエル層３は２つのポテンシャルバリア層２に挟
まれた構造となっており、ウエル層３には共鳴準位８が
形成され、エミッタ側の共鳴トンネル障壁を構成してい
る。また、５Ａは本発明によるグレーデッドなコレクタ
バリア層、１００はホットエレクトロンである。本実施
例は図に示すように、共鳴準位８が形成される少なくと
も１つの量子井戸を有するエミッタ側の共鳴トンネル障
壁と、ベース層４とコレクタ層６との間に形成されたコ
レクタバリア層５Ａとを有して構成される半導体装置、
いわゆる共鳴トンネリングホットエレクトロントランジ
スタ（ＲＨＥＴ）において、コレクタバリア層５Ａのエ
ネルギーバンドのポテンシャルプロファイルを、ベース
層４との界面近傍領域よりグレーデッドに変化させて形
成したものである。ΔＥはコレクタバリア層５Ａのグレ
ーデット部分のエネルギーの変化分、ΔＸは実空間にお
ける変化領域である。このグレーデッドなポテンシャル
プロファイルを有するコレクタバリア層５Ａは、ＯＮ状
態における電子波の反射を抑制するために導入したもの
であり、このために十分なポテンシャルの変化を与えな
ければならない。すなわち、実空間の変化領域ΔＸは、
入射ホットエレクトロン１００の電子波長より十分に大
きな値を、また、エネルギーの変化分ΔＥは、入射ホッ
トエレクトロン１００の振幅よりも十分に大きな値を持
つことが必要である。本実施例においては、ホットエレ
クトロン１００の電子波長と振幅がそれぞれ概略、６nm
および０．０３ｅＶであることから、ΔＸを２０nm、Δ
Ｅを０．１ｅＶとした。なお、ポテンシャルプロファイ
ルをグレーデッドに変化させるのは、図１(a) の円弧状
に限定されず、滑らかに変化する形状であればよい。
る。 （実施例１）図１(a) ，(b) は、本発明の第一の実施例
による高速動作半導体装置の主要断面におけるエネルギ
ーダイヤグラムを示す図であり、図１(a) は電圧が印加
されていない状態を、図１(b) は電圧が印加された状態
におけるエネルギーダイヤグラムをそれぞれ示す。図に
おいて、１はｎ+ −ＧａＡｓエミッタ層、２はｉ−Ａｌ
x Ｇａ1-x Ａｓポテンシャルバリア層、３はｉ−ＧａＡ
ｓウエル層、４はｎ−ＧａＡｓベース層、６はｎ−Ｇａ
Ａｓコレクタ層、８は共鳴準位、９はフェルミレベルで
ある。ウエル層３は２つのポテンシャルバリア層２に挟
まれた構造となっており、ウエル層３には共鳴準位８が
形成され、エミッタ側の共鳴トンネル障壁を構成してい
る。また、５Ａは本発明によるグレーデッドなコレクタ
バリア層、１００はホットエレクトロンである。本実施
例は図に示すように、共鳴準位８が形成される少なくと
も１つの量子井戸を有するエミッタ側の共鳴トンネル障
壁と、ベース層４とコレクタ層６との間に形成されたコ
レクタバリア層５Ａとを有して構成される半導体装置、
いわゆる共鳴トンネリングホットエレクトロントランジ
スタ（ＲＨＥＴ）において、コレクタバリア層５Ａのエ
ネルギーバンドのポテンシャルプロファイルを、ベース
層４との界面近傍領域よりグレーデッドに変化させて形
成したものである。ΔＥはコレクタバリア層５Ａのグレ
ーデット部分のエネルギーの変化分、ΔＸは実空間にお
ける変化領域である。このグレーデッドなポテンシャル
プロファイルを有するコレクタバリア層５Ａは、ＯＮ状
態における電子波の反射を抑制するために導入したもの
であり、このために十分なポテンシャルの変化を与えな
ければならない。すなわち、実空間の変化領域ΔＸは、
入射ホットエレクトロン１００の電子波長より十分に大
きな値を、また、エネルギーの変化分ΔＥは、入射ホッ
トエレクトロン１００の振幅よりも十分に大きな値を持
つことが必要である。本実施例においては、ホットエレ
クトロン１００の電子波長と振幅がそれぞれ概略、６nm
および０．０３ｅＶであることから、ΔＸを２０nm、Δ
Ｅを０．１ｅＶとした。なお、ポテンシャルプロファイ
ルをグレーデッドに変化させるのは、図１(a) の円弧状
に限定されず、滑らかに変化する形状であればよい。
【００１９】次にグレーデッドなポテンシャルプロファ
イルを有するコレクタバリア層５Ａによる電子波の反射
抑制効果について説明する。図２はグレーデッドなポテ
ンシャルプロファイルを有するコレクタバリア層５Ａに
入射した電子波の透過率を計算した結果を示す図であ
る。計算は、シュレディンガー方程式を自己無憧着に解
くことにより行なった。計算においてはコレクタバリア
層５Ａのエネルギーを０．４ｅＶとしている。電子波の
透過率は図２に示すように、入射電子波のエネルギーが
０．３ｅＶを越えた付近から急速に立ち上がり始め、
０．４ｅＶでの透過率は９０％にも達する。コレクタバ
リア層のポテンシャルプロファイルが矩形状である従来
のＲＨＥＴの場合、図２２に示したように、０．４ｅＶ
での透過率は３０％程度であるのに比して、グレーデッ
ドなポテンシャルプロファイルを有するコレクタバリア
層５Ａを有する本実施例は、ＯＮ状態での電子の透過率
を大幅に向上できることがわかる。
イルを有するコレクタバリア層５Ａによる電子波の反射
抑制効果について説明する。図２はグレーデッドなポテ
ンシャルプロファイルを有するコレクタバリア層５Ａに
入射した電子波の透過率を計算した結果を示す図であ
る。計算は、シュレディンガー方程式を自己無憧着に解
くことにより行なった。計算においてはコレクタバリア
層５Ａのエネルギーを０．４ｅＶとしている。電子波の
透過率は図２に示すように、入射電子波のエネルギーが
０．３ｅＶを越えた付近から急速に立ち上がり始め、
０．４ｅＶでの透過率は９０％にも達する。コレクタバ
リア層のポテンシャルプロファイルが矩形状である従来
のＲＨＥＴの場合、図２２に示したように、０．４ｅＶ
での透過率は３０％程度であるのに比して、グレーデッ
ドなポテンシャルプロファイルを有するコレクタバリア
層５Ａを有する本実施例は、ＯＮ状態での電子の透過率
を大幅に向上できることがわかる。
【００２０】図３はＲＨＥＴの電流−電圧特性を測定し
た結果を表した図であり、実線が本実施例によるグレー
デッドなポテンシャルプロファイルを有するコレクタバ
リア層５Ａを採用したＲＨＥＴの特性、点線が従来の矩
形状のコレクタバリア層５を有するＲＨＥＴの特性をそ
れぞれ示している。測定は液体窒素温度（７７Ｋ）で行
なった。図に示すように、本実施例においては、グレー
デッドなポテンシャルプロファイルを有するコレクタバ
リア層５Ａによって、電子波の反射が大幅に抑制された
ことにより、従来例と比較して、２倍程度のピーク電流
の増加が確認された。また、ＯＮ状態とＯＦＦ状態での
電流密度の比、すなわちＰ／Ｖ比は２０という高い値を
示すことができた。
た結果を表した図であり、実線が本実施例によるグレー
デッドなポテンシャルプロファイルを有するコレクタバ
リア層５Ａを採用したＲＨＥＴの特性、点線が従来の矩
形状のコレクタバリア層５を有するＲＨＥＴの特性をそ
れぞれ示している。測定は液体窒素温度（７７Ｋ）で行
なった。図に示すように、本実施例においては、グレー
デッドなポテンシャルプロファイルを有するコレクタバ
リア層５Ａによって、電子波の反射が大幅に抑制された
ことにより、従来例と比較して、２倍程度のピーク電流
の増加が確認された。また、ＯＮ状態とＯＦＦ状態での
電流密度の比、すなわちＰ／Ｖ比は２０という高い値を
示すことができた。
【００２１】（実施例２）図４は本発明の第２の実施例
によるＲＨＥＴの主要断面におけるエネルギーダイヤグ
ラムを示す図である。図において、１０はｉ−ＧａＡｓ
スペーサ層（以下、スペーサ層という）であり、その他
は図１の第１の実施例と同様の構造を有する。
によるＲＨＥＴの主要断面におけるエネルギーダイヤグ
ラムを示す図である。図において、１０はｉ−ＧａＡｓ
スペーサ層（以下、スペーサ層という）であり、その他
は図１の第１の実施例と同様の構造を有する。
【００２２】コレクタバリア層５Ａが厚い場合、コレク
タバリア層５Ａ中で散乱を受け、エネルギーを失った電
子によるチャージアップが問題となることがあるため、
この問題点を解消するために、コレクタバリア層５Ａを
薄くし、さらに絶縁性を保ためにスペーサ層１０を挿入
したＲＨＥＴが提案されている。本第２の実施例はこの
形式のＲＨＥＴのコレクタバリア層のポテンシャルプロ
ファイルをグレーデッドに変化させて形成したものであ
り、上記第１の実施例と同様に高いＰ／Ｖ比を得ること
ができる。
タバリア層５Ａ中で散乱を受け、エネルギーを失った電
子によるチャージアップが問題となることがあるため、
この問題点を解消するために、コレクタバリア層５Ａを
薄くし、さらに絶縁性を保ためにスペーサ層１０を挿入
したＲＨＥＴが提案されている。本第２の実施例はこの
形式のＲＨＥＴのコレクタバリア層のポテンシャルプロ
ファイルをグレーデッドに変化させて形成したものであ
り、上記第１の実施例と同様に高いＰ／Ｖ比を得ること
ができる。
【００２３】（実施例３）図５は本発明の第３の実施例
によるＲＨＥＴの主要断面におけるエネルギーダイヤグ
ラムを示す図である。図において、１１はｉ−Ａｌz Ｇ
ａ1-z Ａｓ（ｚ＞ｘ）ポテンシャルバリア層であり、そ
の他は図４の第２の実施例と同様の構造を有する。この
ように、共鳴トンネル障壁を構成する二層のポテンシャ
ルバリア層のうち一方のポテンシャルバリア層の禁制帯
幅を大きくすると、エミッタ側から共鳴トンネル効果に
よらずポテンシャルバリア層を乗り越えてベースに注入
される電子を防止することができ、これにより共鳴トン
ネル効果により注入される電子のみを用いることができ
る。本第３の実施例はこの形式のＲＨＥＴのコレクタバ
リア層のポテンシャルプロファイルをグレーデッドに変
化させて形成したものであり、上記第１の実施例と同様
に高いＰ／Ｖ比を得ることができる。
によるＲＨＥＴの主要断面におけるエネルギーダイヤグ
ラムを示す図である。図において、１１はｉ−Ａｌz Ｇ
ａ1-z Ａｓ（ｚ＞ｘ）ポテンシャルバリア層であり、そ
の他は図４の第２の実施例と同様の構造を有する。この
ように、共鳴トンネル障壁を構成する二層のポテンシャ
ルバリア層のうち一方のポテンシャルバリア層の禁制帯
幅を大きくすると、エミッタ側から共鳴トンネル効果に
よらずポテンシャルバリア層を乗り越えてベースに注入
される電子を防止することができ、これにより共鳴トン
ネル効果により注入される電子のみを用いることができ
る。本第３の実施例はこの形式のＲＨＥＴのコレクタバ
リア層のポテンシャルプロファイルをグレーデッドに変
化させて形成したものであり、上記第１の実施例と同様
に高いＰ／Ｖ比を得ることができる。
【００２４】（実施例４）図６は本発明の第４の実施例
によるＲＨＥＴの主要断面におけるエネルギーダイヤグ
ラムを表した図である。この第４の実施例は、図４の第
２の実施例においてコレクタバリア層５Ａのポテンシャ
ルプロファイルをコレクタ側についてもグレーデッドに
変化させて形成したものであり、このような構成として
も、第１の実施例と同様に高いＰ／Ｖ比を得ることがで
きる。
によるＲＨＥＴの主要断面におけるエネルギーダイヤグ
ラムを表した図である。この第４の実施例は、図４の第
２の実施例においてコレクタバリア層５Ａのポテンシャ
ルプロファイルをコレクタ側についてもグレーデッドに
変化させて形成したものであり、このような構成として
も、第１の実施例と同様に高いＰ／Ｖ比を得ることがで
きる。
【００２５】（実施例５）図７は本発明の第５の実施例
による高速動作半導体装置（ＨＥＴ）の主要断面におけ
るエネルギーダイヤグラムを示す図である。図におい
て、１はｎ+ −ＧａＡｓエミッタ層、４はｎ−ＧａＡｓ
ベース層、５Ａはグレーデッドなポテンシャルプロファ
イルを有するコレクタバリア層、６はｎ−ＧａＡｓコレ
クタ層、９はフェルミレベルである。また１２はＡｌＧ
ａＡｓトンネルバリア層である。
による高速動作半導体装置（ＨＥＴ）の主要断面におけ
るエネルギーダイヤグラムを示す図である。図におい
て、１はｎ+ −ＧａＡｓエミッタ層、４はｎ−ＧａＡｓ
ベース層、５Ａはグレーデッドなポテンシャルプロファ
イルを有するコレクタバリア層、６はｎ−ＧａＡｓコレ
クタ層、９はフェルミレベルである。また１２はＡｌＧ
ａＡｓトンネルバリア層である。
【００２６】本第５の実施例は、トンネルバリアまたは
ヘテロ障壁を通過し、ホットエレクトロン１００となっ
た電子のみをトランジスタ動作に応用する形式の高速動
作半導体装置である、いわゆるホットエレクトロントラ
ンジスタ（ＨＥＴ）のコレクタバリア層として、そのポ
テンシャルプロファイルをグレーデッドに変化させて形
成したコレクタバリア層５Ａを用いたものである。本実
施例では、ＨＥＴのＯＮ状態において、上記第１〜第４
の実施例と同様の機構により、コレクタバリア層端部で
の電子の反射を抑圧でき、高い電流密度を得ることがで
きる。
ヘテロ障壁を通過し、ホットエレクトロン１００となっ
た電子のみをトランジスタ動作に応用する形式の高速動
作半導体装置である、いわゆるホットエレクトロントラ
ンジスタ（ＨＥＴ）のコレクタバリア層として、そのポ
テンシャルプロファイルをグレーデッドに変化させて形
成したコレクタバリア層５Ａを用いたものである。本実
施例では、ＨＥＴのＯＮ状態において、上記第１〜第４
の実施例と同様の機構により、コレクタバリア層端部で
の電子の反射を抑圧でき、高い電流密度を得ることがで
きる。
【００２７】（実施例６）次に、本発明の第６の実施例
として、上記第１〜第５の実施例におけるコレクタバリ
ア層５Ａのエネルギーバンドのグレーデッドに変化する
ポテンシャルプロファイルの形成方法について説明す
る。図８は本実施例による製造方法の一例を説明するた
めの図であり、上記第１の実施例によるＲＨＥＴの製造
方法について示している。
として、上記第１〜第５の実施例におけるコレクタバリ
ア層５Ａのエネルギーバンドのグレーデッドに変化する
ポテンシャルプロファイルの形成方法について説明す
る。図８は本実施例による製造方法の一例を説明するた
めの図であり、上記第１の実施例によるＲＨＥＴの製造
方法について示している。
【００２８】グレーデッドなポテンシャルプロファイル
を有するｉ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓコレクタバリア層５Ａ
は、ｎ−ＧａＡｓベース層４との界面近傍の領域５２に
おいてＡｌ組成ｙをグレーデッドに変化させて形成する
ことで、再現性よく得ることができる。例えば、ｎ−Ｇ
ａＡｓ層６上にｉ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ層をＭＯＣＶＤ
法（有機金属熱分解法）により結晶成長する際に、まず
ポテンシャルプロファイルが平坦な領域５１については
一定のＡｌ組成（ｙ＝０．３）で結晶成長を行ない、こ
のＡｌ組成が一定のＡｌy Ｇａ1-y Ａｓ層５１上に、原
料ガスの供給比を変化させることによりＡｌ組成をｙ＝
０．３から０．２２へ徐々に変化させながらベース層４
との界面近傍の領域５２を結晶成長する。このような結
晶成長を行なうことにより、ベース層４との界面近傍の
Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ層５２の部分で、約０．１ｅＶのポ
テンシャル変化が得られる。この後、Ａｌy Ｇａ1-y Ａ
ｓ層５２上にｎ−ＧａＡｓベース層４，ｉ−Ａｌx Ｇａ
1-x Ａｓポテンシャルバリア層２，ｉ−ＧａＡｓウエル
層３，ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓポテンシャルバリア層
２，およびｎ+ −ＧａＡｓエミッタ層１を順次結晶成長
することにより、図８(a) に示すような半導体積層構造
を得ることができる。図８(b) は図８(a) に示す半導体
積層構造の主要断面におけるエネルギーダイヤグラムを
示す図であり、Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ層５２の部分でポテ
ンシャルプロファイルがグレーデッドになっていること
がわかる。
を有するｉ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓコレクタバリア層５Ａ
は、ｎ−ＧａＡｓベース層４との界面近傍の領域５２に
おいてＡｌ組成ｙをグレーデッドに変化させて形成する
ことで、再現性よく得ることができる。例えば、ｎ−Ｇ
ａＡｓ層６上にｉ−Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ層をＭＯＣＶＤ
法（有機金属熱分解法）により結晶成長する際に、まず
ポテンシャルプロファイルが平坦な領域５１については
一定のＡｌ組成（ｙ＝０．３）で結晶成長を行ない、こ
のＡｌ組成が一定のＡｌy Ｇａ1-y Ａｓ層５１上に、原
料ガスの供給比を変化させることによりＡｌ組成をｙ＝
０．３から０．２２へ徐々に変化させながらベース層４
との界面近傍の領域５２を結晶成長する。このような結
晶成長を行なうことにより、ベース層４との界面近傍の
Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ層５２の部分で、約０．１ｅＶのポ
テンシャル変化が得られる。この後、Ａｌy Ｇａ1-y Ａ
ｓ層５２上にｎ−ＧａＡｓベース層４，ｉ−Ａｌx Ｇａ
1-x Ａｓポテンシャルバリア層２，ｉ−ＧａＡｓウエル
層３，ｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓポテンシャルバリア層
２，およびｎ+ −ＧａＡｓエミッタ層１を順次結晶成長
することにより、図８(a) に示すような半導体積層構造
を得ることができる。図８(b) は図８(a) に示す半導体
積層構造の主要断面におけるエネルギーダイヤグラムを
示す図であり、Ａｌy Ｇａ1-y Ａｓ層５２の部分でポテ
ンシャルプロファイルがグレーデッドになっていること
がわかる。
【００２９】ここで、原料ガスの供給比を徐々に変化さ
せながら連続的に結晶成長を行なえば、ステップのない
滑らかなポテンシャルプロファイルが得られるが、異な
る原料ガスの供給比による断続的な結晶成長を行なっ
て、細かいステップ状にポテンシャルを変化させるよう
にしてもよい。
せながら連続的に結晶成長を行なえば、ステップのない
滑らかなポテンシャルプロファイルが得られるが、異な
る原料ガスの供給比による断続的な結晶成長を行なっ
て、細かいステップ状にポテンシャルを変化させるよう
にしてもよい。
【００３０】なお、上記実施例では、グレーデッドなポ
テンシャルプロファイルを有するコレクタバリア層５Ａ
の形成にＭＯＣＶＤ法を用いたが、原子層レベルで組成
制御が可能な他の結晶成長方法、例えばＡＬＥ法（原子
層エピタキシー法），ＭＢＥ法（分子線エピタキシー
法）等の結晶成長法を用いてもよく、上記実施例と同様
の効果を奏する。
テンシャルプロファイルを有するコレクタバリア層５Ａ
の形成にＭＯＣＶＤ法を用いたが、原子層レベルで組成
制御が可能な他の結晶成長方法、例えばＡＬＥ法（原子
層エピタキシー法），ＭＢＥ法（分子線エピタキシー
法）等の結晶成長法を用いてもよく、上記実施例と同様
の効果を奏する。
【００３１】（実施例７）次に、本発明の第７の実施例
を図について説明する。図９(a) ，(b) は、本発明の第
７の実施例による高速動作半導体装置の主要断面図にお
けるエネルギーダイヤグラムを示す図である。図９(a)
は電圧が印加されていない状態を、図９(b) は電圧が印
加された状態におけるエネルギーダイヤグラムをそれぞ
れ示す。また、図１１(a) は本発明の第７の実施例によ
る高速動作半導体装置の断面構造を示す図であり、図１
１(b) はその主要断面図におけるエネルギーダイヤグラ
ムを示す図である。図において、１はｎ+ −ＧａＡｓエ
ミッタ層、２はｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓポテンシャルバ
リア層、３はｉ−ＧａＡｓウエル層、４はｎ−ＧａＡｓ
ベース層、６はｎ−ＧａＡｓコレクタ層、８は共鳴準
位、９はフェルミレベルである。ウエル層３は２つのポ
テンシャルバリア層２に挟まれた構造となっており、ウ
エル層３には共鳴準位８が形成され、エミッタ側の共鳴
トンネル障壁を構成している。また、５Ｂは多重量子障
壁（Multi Quantum Barrier ：ＭＱＢ）構造２５を含む
コレクタバリア層、１００はホットエレクトロンであ
る。ＭＱＢ構造２５はトンネル防止用ポテンシャルバリ
ア層２２，及び多重量子井戸２６により構成される。ま
た、１０１はＭＱＢ構造２５によりコレクタバリア層に
形成される実効的なポテンシャルバリアである。
を図について説明する。図９(a) ，(b) は、本発明の第
７の実施例による高速動作半導体装置の主要断面図にお
けるエネルギーダイヤグラムを示す図である。図９(a)
は電圧が印加されていない状態を、図９(b) は電圧が印
加された状態におけるエネルギーダイヤグラムをそれぞ
れ示す。また、図１１(a) は本発明の第７の実施例によ
る高速動作半導体装置の断面構造を示す図であり、図１
１(b) はその主要断面図におけるエネルギーダイヤグラ
ムを示す図である。図において、１はｎ+ −ＧａＡｓエ
ミッタ層、２はｉ−Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓポテンシャルバ
リア層、３はｉ−ＧａＡｓウエル層、４はｎ−ＧａＡｓ
ベース層、６はｎ−ＧａＡｓコレクタ層、８は共鳴準
位、９はフェルミレベルである。ウエル層３は２つのポ
テンシャルバリア層２に挟まれた構造となっており、ウ
エル層３には共鳴準位８が形成され、エミッタ側の共鳴
トンネル障壁を構成している。また、５Ｂは多重量子障
壁（Multi Quantum Barrier ：ＭＱＢ）構造２５を含む
コレクタバリア層、１００はホットエレクトロンであ
る。ＭＱＢ構造２５はトンネル防止用ポテンシャルバリ
ア層２２，及び多重量子井戸２６により構成される。ま
た、１０１はＭＱＢ構造２５によりコレクタバリア層に
形成される実効的なポテンシャルバリアである。
【００３２】本実施例は図に示すように、共鳴準位が形
成される少なくとも１つの量子井戸を有するエミッタ側
の共鳴トンネル障壁と、ベース層とコレクタ層との間に
形成されたコレクタバリア層とを有する、いわゆる共鳴
トンネリングホットエレクトロントランジスタ（ＲＨＥ
Ｔ）において、コレクタバリア層に、トンネル防止用バ
リア層２２及び多重量子井戸２６を含むものである。こ
こで、トンネル防止用バリア層２２及び多重量子井戸２
６からなるポテンシャル構造は、キャリアの反射層とし
て機能することから、多重量子障壁（Multi Quantum Ba
rrier ：ＭＱＢ）と称する。
成される少なくとも１つの量子井戸を有するエミッタ側
の共鳴トンネル障壁と、ベース層とコレクタ層との間に
形成されたコレクタバリア層とを有する、いわゆる共鳴
トンネリングホットエレクトロントランジスタ（ＲＨＥ
Ｔ）において、コレクタバリア層に、トンネル防止用バ
リア層２２及び多重量子井戸２６を含むものである。こ
こで、トンネル防止用バリア層２２及び多重量子井戸２
６からなるポテンシャル構造は、キャリアの反射層とし
て機能することから、多重量子障壁（Multi Quantum Ba
rrier ：ＭＱＢ）と称する。
【００３３】次に、ＭＱＢ（多重量子障壁）の機能につ
いて説明する。図１０は多重量子障壁の機能を説明する
ための図であり、キャリアが電子の場合について、ＭＱ
Ｂ構造の伝導帯のエネルギーダイヤグラムを表したもの
である。図において、２１はＧａＡｓ層、２２はトンネ
ル防止用のＡｌＧａＡｓバリア層、２３はＧａＡｓ量子
井戸層、２４はＡｌＧａＡｓ障壁層、２５はＭＱＢ構
造、２６は多重量子井戸、１０１は実効的なポテンシャ
ルバリアを示す。また６０，６１，６２は電子、△Ｅc
は伝導帯のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ伝導帯の差、△Ｅc
′は、実効的なポテンシャルバリア高さを示す。
いて説明する。図１０は多重量子障壁の機能を説明する
ための図であり、キャリアが電子の場合について、ＭＱ
Ｂ構造の伝導帯のエネルギーダイヤグラムを表したもの
である。図において、２１はＧａＡｓ層、２２はトンネ
ル防止用のＡｌＧａＡｓバリア層、２３はＧａＡｓ量子
井戸層、２４はＡｌＧａＡｓ障壁層、２５はＭＱＢ構
造、２６は多重量子井戸、１０１は実効的なポテンシャ
ルバリアを示す。また６０，６１，６２は電子、△Ｅc
は伝導帯のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ伝導帯の差、△Ｅc
′は、実効的なポテンシャルバリア高さを示す。
【００３４】このＭＱＢは、ＧａＡｓ層２１側から入射
する電子に対して機能するものである。ここで、超格子
構造２６だけの場合には、井戸内にミニバンドが形成さ
れるため、△Ｅc 以下のエネルギーの電子も透過する
が、電子が入射する側にトンネル防止用のポテンシャル
バリア層２２があるため△Ｅc 以下のエネルギーの電子
６０は透過しない。また、△Ｅc よりも大きなエネルギ
ーを持った電子６１は、超格子２６による多重反射の効
果により、反射を受ける。このように、トンネル防止用
バリア層２２と、多重量子井戸２６を組み合わせること
により、又、その構造を調整することにより、電子の反
射をコントロールすることができる。
する電子に対して機能するものである。ここで、超格子
構造２６だけの場合には、井戸内にミニバンドが形成さ
れるため、△Ｅc 以下のエネルギーの電子も透過する
が、電子が入射する側にトンネル防止用のポテンシャル
バリア層２２があるため△Ｅc 以下のエネルギーの電子
６０は透過しない。また、△Ｅc よりも大きなエネルギ
ーを持った電子６１は、超格子２６による多重反射の効
果により、反射を受ける。このように、トンネル防止用
バリア層２２と、多重量子井戸２６を組み合わせること
により、又、その構造を調整することにより、電子の反
射をコントロールすることができる。
【００３５】ＭＱＢは、電子の反射特性として、上述の
ような、元々のポテンシャルバリア高さ△Ｅc よりも高
いエネルギーの電子も反射するという特徴の他に、ある
エネルギーにおいて電子の透過確率を０から１に急峻に
変化させることができるという特徴を有する。
ような、元々のポテンシャルバリア高さ△Ｅc よりも高
いエネルギーの電子も反射するという特徴の他に、ある
エネルギーにおいて電子の透過確率を０から１に急峻に
変化させることができるという特徴を有する。
【００３６】図１２はＭＱＢ構造を含むコレクタバリア
層に対する電子の透過率の計算結果の一例を示す図であ
り、図からわかるように、透過率は入射電子波のエネル
ギーが０．４ｅＶで、０から１に急峻に変化している。
層に対する電子の透過率の計算結果の一例を示す図であ
り、図からわかるように、透過率は入射電子波のエネル
ギーが０．４ｅＶで、０から１に急峻に変化している。
【００３７】図１３は第１０図に示したＡｌＧａＡｓ／
ＧａＡｓ系ＭＱＢ構造において、Ａｌ組成を０．４と
し、トンネル防止用バリア層２２を４０原子層、ＧａＡ
ｓ量子井戸層２３を６原子層、ＡｌＧａＡｓ層障壁層２
４を４原子層の厚みとし、量子井戸の数を１０とした場
合の、電子のエネルギーに対するＭＱＢ構造の端部での
電子の反射率を計算した結果を示す図である。また、図
１４はトンネル防止用バリア層２２を２０原子層の厚み
とし、他は上記と同じ構成とした場合の、電子のエネル
ギーに対するＭＱＢ構造の端部での電子の反射率を計算
した結果を示す図である。計算では、電子のコヒーレン
ト長さを無限大とし、結晶中での散乱はないものとし
て、量子力学的に解いた。
ＧａＡｓ系ＭＱＢ構造において、Ａｌ組成を０．４と
し、トンネル防止用バリア層２２を４０原子層、ＧａＡ
ｓ量子井戸層２３を６原子層、ＡｌＧａＡｓ層障壁層２
４を４原子層の厚みとし、量子井戸の数を１０とした場
合の、電子のエネルギーに対するＭＱＢ構造の端部での
電子の反射率を計算した結果を示す図である。また、図
１４はトンネル防止用バリア層２２を２０原子層の厚み
とし、他は上記と同じ構成とした場合の、電子のエネル
ギーに対するＭＱＢ構造の端部での電子の反射率を計算
した結果を示す図である。計算では、電子のコヒーレン
ト長さを無限大とし、結晶中での散乱はないものとし
て、量子力学的に解いた。
【００３８】図１３では、電子のエネルギーが、伝導帯
のバンド不連続値△Ｅc を少し越えたところで、反射率
が１から０．１以下に急峻に変化し、それ以外のエネル
ギーでは、多重反射による振動がみられることがわか
る。また図１３と図１４の比較においては、トンネル防
止用バリア層２２厚みを、２０原子層まで薄くすると、
トンネル防止効果が十分でないために、△Ｅc 以下のエ
ネルギーの電子も透過するようになり透過確率をある特
定のエネルギー値で、急峻に変化させることができない
ことがわかる。従って、ＭＱＢの特徴の一つである急峻
な透過率特性の変化を実現するためには、この系におい
ては、トンネル防止用バリア層の厚みを、少なくとも４
０原子層程度にする必要があることがわかる。
のバンド不連続値△Ｅc を少し越えたところで、反射率
が１から０．１以下に急峻に変化し、それ以外のエネル
ギーでは、多重反射による振動がみられることがわか
る。また図１３と図１４の比較においては、トンネル防
止用バリア層２２厚みを、２０原子層まで薄くすると、
トンネル防止効果が十分でないために、△Ｅc 以下のエ
ネルギーの電子も透過するようになり透過確率をある特
定のエネルギー値で、急峻に変化させることができない
ことがわかる。従って、ＭＱＢの特徴の一つである急峻
な透過率特性の変化を実現するためには、この系におい
ては、トンネル防止用バリア層の厚みを、少なくとも４
０原子層程度にする必要があることがわかる。
【００３９】ＲＨＥＴへの応用を考えた場合、図１２に
示すように、ＭＱＢ構造をコレクタバリア層に採用した
場合は、電子波の透過率は０．４ｅＶ付近で急激に立ち
上がり、透過率はほぼ１００％に達する。コレクタバリ
ア層のポテンシャルプロファイルが矩形状である従来の
ＲＨＥＴの場合、図２２に示したように、０．４ｅＶで
の透過率は３０％程度であるのに比して、ＭＱＢ構造を
取り入れることでＯＮ状態での電子の透過率を大幅に向
上できることがわかる。
示すように、ＭＱＢ構造をコレクタバリア層に採用した
場合は、電子波の透過率は０．４ｅＶ付近で急激に立ち
上がり、透過率はほぼ１００％に達する。コレクタバリ
ア層のポテンシャルプロファイルが矩形状である従来の
ＲＨＥＴの場合、図２２に示したように、０．４ｅＶで
の透過率は３０％程度であるのに比して、ＭＱＢ構造を
取り入れることでＯＮ状態での電子の透過率を大幅に向
上できることがわかる。
【００４０】また、ＭＱＢ構造を有するコレクタバリア
層では、図１２に示すように、電子の透過率は、入射電
子波のエネルギーが０．４ｅＶよりもさらに大きくなっ
たところで、急峻に立ち下がり、その後、立ち上がりと
立ち下がりを繰り返す傾向を示す。ＭＱＢ構造によって
形成される実効的なポテンシャルバリアは、上述のよう
にＭＱＢ構造の調整により０．４ｅＶまで連続的なバリ
アを形成するが、これよりも高いエネルギーにおいても
離散的にバリアが形成される。この離散性はＭＱＢ構造
を構成する超格子構造２６の井戸内に形成されるミニバ
ンドによるものである。このような離散的なバリアの存
在により上述のような電子の透過率の周期性が現れるも
のである。従って、このようなＭＱＢ構造を有するコレ
クタバリア層を備えたＲＨＥＴでは、ＯＦＦ状態を電子
の透過率の低いエネルギーに合わせることができるた
め、ＯＦＦ状態での電流値を小さくできる。
層では、図１２に示すように、電子の透過率は、入射電
子波のエネルギーが０．４ｅＶよりもさらに大きくなっ
たところで、急峻に立ち下がり、その後、立ち上がりと
立ち下がりを繰り返す傾向を示す。ＭＱＢ構造によって
形成される実効的なポテンシャルバリアは、上述のよう
にＭＱＢ構造の調整により０．４ｅＶまで連続的なバリ
アを形成するが、これよりも高いエネルギーにおいても
離散的にバリアが形成される。この離散性はＭＱＢ構造
を構成する超格子構造２６の井戸内に形成されるミニバ
ンドによるものである。このような離散的なバリアの存
在により上述のような電子の透過率の周期性が現れるも
のである。従って、このようなＭＱＢ構造を有するコレ
クタバリア層を備えたＲＨＥＴでは、ＯＦＦ状態を電子
の透過率の低いエネルギーに合わせることができるた
め、ＯＦＦ状態での電流値を小さくできる。
【００４１】また、本実施例では、ＭＱＢ構造により、
実効的なバリア高さを高くできるため、相対的にコレク
タバリア層を構成するＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を低く設
定することができる。ＡｌＧａＡｓ中では、Ａｌ組成が
大きい程、結晶中での電子の散乱が多くなるが、本実施
例では、上述のようにコレクタバリア層のＡｌＧａＡｓ
のＡｌ組成を低くできるので、コレクタバリア層内での
電子の散乱を低下させることができ、低ノイズ化，高速
化に効果がある。
実効的なバリア高さを高くできるため、相対的にコレク
タバリア層を構成するＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を低く設
定することができる。ＡｌＧａＡｓ中では、Ａｌ組成が
大きい程、結晶中での電子の散乱が多くなるが、本実施
例では、上述のようにコレクタバリア層のＡｌＧａＡｓ
のＡｌ組成を低くできるので、コレクタバリア層内での
電子の散乱を低下させることができ、低ノイズ化，高速
化に効果がある。
【００４２】図１５はＲＨＥＴの電流−電圧特性を測定
した結果を表した図であり、実線が本実施例によるＭＱ
Ｂ構造を有するコレクタバリア層５Ｂを採用したＲＨＥ
Ｔの特性、点線が従来の矩形状のコレクタバリア層５を
有するＲＨＥＴの特性をそれぞれ示している。測定は液
体窒素温度（７７Ｋ）で行なった。図に示すように、本
実施例においては、コレクタバリア層５Ａにおける電子
波の反射が大幅に抑制されたことで、従来例と比較して
２倍程度のピーク電流の増加が確認された。また、ＯＮ
状態とＯＦＦ状態での電流密度の比、すなわちＰ／Ｖ比
は２０という高い値を示すことができた。
した結果を表した図であり、実線が本実施例によるＭＱ
Ｂ構造を有するコレクタバリア層５Ｂを採用したＲＨＥ
Ｔの特性、点線が従来の矩形状のコレクタバリア層５を
有するＲＨＥＴの特性をそれぞれ示している。測定は液
体窒素温度（７７Ｋ）で行なった。図に示すように、本
実施例においては、コレクタバリア層５Ａにおける電子
波の反射が大幅に抑制されたことで、従来例と比較して
２倍程度のピーク電流の増加が確認された。また、ＯＮ
状態とＯＦＦ状態での電流密度の比、すなわちＰ／Ｖ比
は２０という高い値を示すことができた。
【００４３】（実施例８）図１６は本発明の第８の実施
例による高速動作半導体装置の主要断面におけるエネル
ギーダイヤグラムを示す図である。図において、１はｎ
+ −ＧａＡｓエミッタ層、４はｎ−ＧａＡｓベース層、
５Ａはグレーデッドなポテンシャルプロファイルを有す
るコレクタバリア層、６はｎ−ＧａＡｓコレクタ層、９
はフェルミレベルである。また１２はＡｌＧａＡｓトン
ネルバリア層である。
例による高速動作半導体装置の主要断面におけるエネル
ギーダイヤグラムを示す図である。図において、１はｎ
+ −ＧａＡｓエミッタ層、４はｎ−ＧａＡｓベース層、
５Ａはグレーデッドなポテンシャルプロファイルを有す
るコレクタバリア層、６はｎ−ＧａＡｓコレクタ層、９
はフェルミレベルである。また１２はＡｌＧａＡｓトン
ネルバリア層である。
【００４４】本第８の実施例は、バリア層またはヘテロ
障壁を通過し、ホットエレクトロン１００となった電子
のみをトランジスタ動作に応用するＨＥＴのコレクタバ
リア層に、ＭＱＢ構造２５を設けたものである。本実施
例では、ＨＥＴのＯＮ状態において、上記第７の実施例
と同様の機構により、コレクタバリア層端部での電子の
反射を抑圧でき、高い電流密度を得ることができる。
障壁を通過し、ホットエレクトロン１００となった電子
のみをトランジスタ動作に応用するＨＥＴのコレクタバ
リア層に、ＭＱＢ構造２５を設けたものである。本実施
例では、ＨＥＴのＯＮ状態において、上記第７の実施例
と同様の機構により、コレクタバリア層端部での電子の
反射を抑圧でき、高い電流密度を得ることができる。
【００４５】なお、上記第７，第８の実施例では、半導
体装置を構成する材料として、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓ
を用いたものについて説明したが、本発明の思想は他の
材料を用いて構成した同様の構造を有する高速動作半導
体装置にも適用できることは言うまでもない。
体装置を構成する材料として、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓ
を用いたものについて説明したが、本発明の思想は他の
材料を用いて構成した同様の構造を有する高速動作半導
体装置にも適用できることは言うまでもない。
【００４６】（実施例９）図１７は、本発明の第９の実
施例による高速動作半導体装置（ＨＢＴ）を示す図であ
り、図１７(a) はその断面構造を示す図、図１７(b) は
そのエネルギーダイヤグラムを示す図である。図におい
て、３０はＧａＡｓ基板、３１はｎ型ＡｌＧａＡｓエミ
ッタ層、３２はｐ型ＧａＡｓベース層、３３はｎ−Ｇａ
Ａｓ層コレクタ層である。２５はエミッタ領域の、ベー
ス層３２との界面部分に設けられたＭＱＢ構造であり、
トンネル防止用バリア層２２と多重量子井戸２３とから
構成されている。９１はエミッタ電極、９２はベース電
極、９３はコレクタ電極である。また８０，８１，８２
は正孔（ホール）、１５１は電子である。９はフェルミ
レベル、１０１はＭＱＢ構造２５によりエミッタ領域に
形成される正孔に対する実効的なポテンシャルバリアで
ある。
施例による高速動作半導体装置（ＨＢＴ）を示す図であ
り、図１７(a) はその断面構造を示す図、図１７(b) は
そのエネルギーダイヤグラムを示す図である。図におい
て、３０はＧａＡｓ基板、３１はｎ型ＡｌＧａＡｓエミ
ッタ層、３２はｐ型ＧａＡｓベース層、３３はｎ−Ｇａ
Ａｓ層コレクタ層である。２５はエミッタ領域の、ベー
ス層３２との界面部分に設けられたＭＱＢ構造であり、
トンネル防止用バリア層２２と多重量子井戸２３とから
構成されている。９１はエミッタ電極、９２はベース電
極、９３はコレクタ電極である。また８０，８１，８２
は正孔（ホール）、１５１は電子である。９はフェルミ
レベル、１０１はＭＱＢ構造２５によりエミッタ領域に
形成される正孔に対する実効的なポテンシャルバリアで
ある。
【００４７】本実施例はエミッタ・ベース接合がヘテロ
接合であり、ワイドバンドギャップエミッタ構造を有す
る、いわゆるヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）
のエミッタ領域にＭＱＢ構造を設けたものである。
接合であり、ワイドバンドギャップエミッタ構造を有す
る、いわゆるヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）
のエミッタ領域にＭＱＢ構造を設けたものである。
【００４８】図１８はＭＱＢ構造を持たないヘテロ接
合，及びＭＱＢ構造を有するヘテロ接合のポテンシャル
ダイヤグラムを、価電子帯について示した図である。図
において、図１７と同一符号は同一又は相当部分であ
り、８３，８４，８５，８６はホールである。
合，及びＭＱＢ構造を有するヘテロ接合のポテンシャル
ダイヤグラムを、価電子帯について示した図である。図
において、図１７と同一符号は同一又は相当部分であ
り、８３，８４，８５，８６はホールである。
【００４９】図１８(a) に示すヘテロ接合、即ち、従来
のＨＢＴのベース・エミッタ界面においては、図中の右
側、即ちベース側から入射してくる△Ｅv よりも運動エ
ネルギーの小さいホール８３は価電子帯のバンド不連続
△Ｅv のポテンシャル障壁により反射され、エミッタへ
の逆注入が防止される。しかし、△Ｅv より大きな運動
エネルギーを持つホール８４は図に示すように、ＡｌＧ
ａＡｓ層（エミッタ）側へ逆注入される。
のＨＢＴのベース・エミッタ界面においては、図中の右
側、即ちベース側から入射してくる△Ｅv よりも運動エ
ネルギーの小さいホール８３は価電子帯のバンド不連続
△Ｅv のポテンシャル障壁により反射され、エミッタへ
の逆注入が防止される。しかし、△Ｅv より大きな運動
エネルギーを持つホール８４は図に示すように、ＡｌＧ
ａＡｓ層（エミッタ）側へ逆注入される。
【００５０】本第９の実施例は、ＨＢＴのヘテロ接合部
に、ＭＱＢ構造を設けたものであり、図１８(b) に示す
ように、ｐ型ＧａＡｓベース層３２とｎ型ＡｌＧａＡｓ
エミッタ層３１との間に、ベース層側から、トンネル防
止用バリア層２２、多重量子井戸層２６が連続して配置
されている。この場合、ベース側から来たホールは、上
記第７，第８の実施例で説明したＭＱＢ構造の効果によ
り価電子帯の不連続△Ｅv よりも大きなポテンシャル障
壁△Ｅv ′を感じるため、△Ｅv より大きなエネルギー
を持つホール８６も反射され、エミッタへのホールの逆
注入は減少する。
に、ＭＱＢ構造を設けたものであり、図１８(b) に示す
ように、ｐ型ＧａＡｓベース層３２とｎ型ＡｌＧａＡｓ
エミッタ層３１との間に、ベース層側から、トンネル防
止用バリア層２２、多重量子井戸層２６が連続して配置
されている。この場合、ベース側から来たホールは、上
記第７，第８の実施例で説明したＭＱＢ構造の効果によ
り価電子帯の不連続△Ｅv よりも大きなポテンシャル障
壁△Ｅv ′を感じるため、△Ｅv より大きなエネルギー
を持つホール８６も反射され、エミッタへのホールの逆
注入は減少する。
【００５１】図１９は、図１８(b) のＭＱＢ構造２５を
有するヘテロ接合における、ホールのエネルギーに対す
るホールの反射確率の計算結果を示す図である。ここで
ホールのエネルギーは△Ｅv を１としている。計算に使
用した、ＭＱＢ構造はＧａＡｓとＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ
から成り、トンネル防止用バリア層２２の厚みは８０原
子層、多重量子井戸２６のＧａＡｓ井戸層の厚みは４原
子層、ＡｌＧａＡｓ障壁層の厚みは６原子層、井戸の数
は１０である。図１９に示される計算結果から、ホール
に対する実効的なバリア高さ△Ｅv ′は△Ｅv に比べ約
１．７倍程に大きくなることがわかる。ＭＱＢ構造をさ
らに最適化することによって、実効的なバリア高さ△Ｅ
v ′を△Ｅv の２倍程度とすることは容易である。
有するヘテロ接合における、ホールのエネルギーに対す
るホールの反射確率の計算結果を示す図である。ここで
ホールのエネルギーは△Ｅv を１としている。計算に使
用した、ＭＱＢ構造はＧａＡｓとＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ
から成り、トンネル防止用バリア層２２の厚みは８０原
子層、多重量子井戸２６のＧａＡｓ井戸層の厚みは４原
子層、ＡｌＧａＡｓ障壁層の厚みは６原子層、井戸の数
は１０である。図１９に示される計算結果から、ホール
に対する実効的なバリア高さ△Ｅv ′は△Ｅv に比べ約
１．７倍程に大きくなることがわかる。ＭＱＢ構造をさ
らに最適化することによって、実効的なバリア高さ△Ｅ
v ′を△Ｅv の２倍程度とすることは容易である。
【００５２】図１７にもどって、本実施例のＨＢＴの動
作の説明をする。基本的な動作は図２３の従来例と同じ
であるが、エミッタ層内にＭＱＢ構造が作り込まれてい
るので、上述のようにベースからエミッタへのホールの
逆注入電流が大幅に減少する。ここで、本実施例では、
エミッタ層内の伝導帯にもポテンシャル井戸が形成され
るが、エミッタはＮ型に高ドーピングされているため
に、エミッタからベースへの電子の注入には支障はな
い。
作の説明をする。基本的な動作は図２３の従来例と同じ
であるが、エミッタ層内にＭＱＢ構造が作り込まれてい
るので、上述のようにベースからエミッタへのホールの
逆注入電流が大幅に減少する。ここで、本実施例では、
エミッタ層内の伝導帯にもポテンシャル井戸が形成され
るが、エミッタはＮ型に高ドーピングされているため
に、エミッタからベースへの電子の注入には支障はな
い。
【００５３】素子特性の面では、電流増幅率βは、再結
合を考えない場合、 β＝Ｉn （ドリフト拡散電流）／Ｉp （逆注入ホール電
流） で与えられる。又、逆注入ホール電流Ｉp は Ｉp ＝Ｃ・ｅｘｐ（−ｑ・Ｖq ／ｈＴ） Ｖq ：エミッタ・ベース間のホールの電位障壁 で表され、エミッタ・ベース間のホールの電位障壁Ｖq
は、図２３の従来構造においては、概略、△Ｅq ＋△Ｅ
v （ヘテロ接合のバンドギャップ差と、価電子帯の不連
続値の和）で表わされる。又、本発明のＭＱＢ構造をも
つエミッタを有する場合は、ＭＱＢ構造を最適化するこ
とによってＶq を△Ｅv 程度大きくすることができるの
で、本実施例のＶq は概略、△Ｅq ＋△Ｅv ×２とな
る。ここで、エミッタがＡｌx Ｇａ1-x ＡｓからなりＡ
ｌＧａＡｓのＡｌ組成ｘが０．３の場合、室温におい
て、本実施例によるＨＢＴにおける逆注入ホール電流Ｉ
p は、ＭＱＢ構造を持たない従来のＨＢＴにおける逆注
入ホール電流Ｉp のおよそ１／１００となることから、
ＭＱＢをエミッタに入れることにより電流増幅率βを、
１００倍程度高めることができる。
合を考えない場合、 β＝Ｉn （ドリフト拡散電流）／Ｉp （逆注入ホール電
流） で与えられる。又、逆注入ホール電流Ｉp は Ｉp ＝Ｃ・ｅｘｐ（−ｑ・Ｖq ／ｈＴ） Ｖq ：エミッタ・ベース間のホールの電位障壁 で表され、エミッタ・ベース間のホールの電位障壁Ｖq
は、図２３の従来構造においては、概略、△Ｅq ＋△Ｅ
v （ヘテロ接合のバンドギャップ差と、価電子帯の不連
続値の和）で表わされる。又、本発明のＭＱＢ構造をも
つエミッタを有する場合は、ＭＱＢ構造を最適化するこ
とによってＶq を△Ｅv 程度大きくすることができるの
で、本実施例のＶq は概略、△Ｅq ＋△Ｅv ×２とな
る。ここで、エミッタがＡｌx Ｇａ1-x ＡｓからなりＡ
ｌＧａＡｓのＡｌ組成ｘが０．３の場合、室温におい
て、本実施例によるＨＢＴにおける逆注入ホール電流Ｉ
p は、ＭＱＢ構造を持たない従来のＨＢＴにおける逆注
入ホール電流Ｉp のおよそ１／１００となることから、
ＭＱＢをエミッタに入れることにより電流増幅率βを、
１００倍程度高めることができる。
【００５４】なお、上記第９の実施例では、ＨＢＴのヘ
テロ接合構造を、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓで形成したも
のについて説明したが、他のヘテロ接合を形成できる材
料系の組み合わせであっても同様の効果がある。例え
ば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ，又はＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩ
ｎＡｓ等の組み合わせでヘテロ接合を形成するものにつ
いても、さらに４元系のＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＧａ
Ａｓ等を用いてヘテロ接合を形成するものについても本
発明を適用することができる。
テロ接合構造を、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓで形成したも
のについて説明したが、他のヘテロ接合を形成できる材
料系の組み合わせであっても同様の効果がある。例え
ば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ，又はＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩ
ｎＡｓ等の組み合わせでヘテロ接合を形成するものにつ
いても、さらに４元系のＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＧａ
Ａｓ等を用いてヘテロ接合を形成するものについても本
発明を適用することができる。
【００５５】また、上記第７〜第９の実施例のようなＭ
ＱＢ構造を含む半導体層構造の形成においては、原子層
レベルの膜厚制御可能な結晶成長法を利用することが必
要であるが、そのような結晶成長法としては、例えば、
ＭＯＣＶＤ法（有機金属熱分解法），ＭＢＥ法（分子線
エピタキシー法），ガスソースＭＢＥ法，ＡＬＥ法（原
子層エピタキシー法）等が有効である。
ＱＢ構造を含む半導体層構造の形成においては、原子層
レベルの膜厚制御可能な結晶成長法を利用することが必
要であるが、そのような結晶成長法としては、例えば、
ＭＯＣＶＤ法（有機金属熱分解法），ＭＢＥ法（分子線
エピタキシー法），ガスソースＭＢＥ法，ＡＬＥ法（原
子層エピタキシー法）等が有効である。
【００５６】
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ホッ
トエレクトロン注入源となるエミッタ層と、ベース層と
コレクタ層との間に形成されたコレクタバリア層とを有
する高速動作半導体装置において、コレクタバリア層の
エネルギーバンドのポテンシャルプロファイルを、ベー
ス層との界面近傍領域よりグレーデッドに変化している
ものとしたから、コレクタバリア層における電子波の反
射が抑制され、ＯＮ状態において高い電流密度が得ら
れ、実用上十分なＰ／Ｖ比を得ることができるＲＨＥＴ
が得られる効果があり、またＯＮ状態において高い電流
密度が得られるＨＥＴが得られる効果がある。
トエレクトロン注入源となるエミッタ層と、ベース層と
コレクタ層との間に形成されたコレクタバリア層とを有
する高速動作半導体装置において、コレクタバリア層の
エネルギーバンドのポテンシャルプロファイルを、ベー
ス層との界面近傍領域よりグレーデッドに変化している
ものとしたから、コレクタバリア層における電子波の反
射が抑制され、ＯＮ状態において高い電流密度が得ら
れ、実用上十分なＰ／Ｖ比を得ることができるＲＨＥＴ
が得られる効果があり、またＯＮ状態において高い電流
密度が得られるＨＥＴが得られる効果がある。
【００５７】また、この発明によれば、ベース層とコレ
クタ層との間にコレクタバリア層を有する高速動作半導
体装置の製造方法において、上記コレクタバリア層を、
その材料組成が、前記ベース層との界面近傍領域よりグ
レーデッドに変化するように形成したから、コレクタバ
リア層の端部における電子波の反射を大幅に抑制できる
高速動作半導体装置を制御性よく作製できる効果があ
る。
クタ層との間にコレクタバリア層を有する高速動作半導
体装置の製造方法において、上記コレクタバリア層を、
その材料組成が、前記ベース層との界面近傍領域よりグ
レーデッドに変化するように形成したから、コレクタバ
リア層の端部における電子波の反射を大幅に抑制できる
高速動作半導体装置を制御性よく作製できる効果があ
る。
【００５８】また、この発明によれば、ホットエレクト
ロン注入源となるエミッタ層と、ベース層とコレクタ層
との間に形成されたコレクタバリア層とを有する高速動
作半導体装置において、上記コレクタバリア層が、少く
とも１つのトンネル防止用バリア層と多重量子井戸層と
からなるＭＱＢ構造を備えた構成としたから、ＯＮ状態
において高い電流密度が得られ、実用上十分なＰ／Ｖ比
を得ることができるＲＨＥＴが得られる効果があり、ま
たＯＮ状態において高い電流密度が得られるＨＥＴが得
られる効果がある。
ロン注入源となるエミッタ層と、ベース層とコレクタ層
との間に形成されたコレクタバリア層とを有する高速動
作半導体装置において、上記コレクタバリア層が、少く
とも１つのトンネル防止用バリア層と多重量子井戸層と
からなるＭＱＢ構造を備えた構成としたから、ＯＮ状態
において高い電流密度が得られ、実用上十分なＰ／Ｖ比
を得ることができるＲＨＥＴが得られる効果があり、ま
たＯＮ状態において高い電流密度が得られるＨＥＴが得
られる効果がある。
【００５９】また、この発明によれば、ヘテロバイポー
ラ型の高速動作半導体装置において、そのベース・エミ
ッタ間に、ベース側から順に配置された少くとも１つの
トンネル防止用バリア層と多重量子井戸層とから構成さ
れるＭＱＢ構造を備えた構成としたから、逆注入電流の
極めて小さい、高電流利得を有する装置が得られる効果
がある。
ラ型の高速動作半導体装置において、そのベース・エミ
ッタ間に、ベース側から順に配置された少くとも１つの
トンネル防止用バリア層と多重量子井戸層とから構成さ
れるＭＱＢ構造を備えた構成としたから、逆注入電流の
極めて小さい、高電流利得を有する装置が得られる効果
がある。
【図１】本発明の第１の実施例による高速動作半導体装
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
【図２】グレーデッドなポテンシャルプロファイルを有
するコレクタバリア層に対する電子波の透過率を示す図
である。
するコレクタバリア層に対する電子波の透過率を示す図
である。
【図３】本発明の第１の実施例によるＲＨＥＴ素子及び
従来のＲＨＥＴ素子の電流−電圧特性を示す図である。
従来のＲＨＥＴ素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例による高速動作半導体装
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
【図５】本発明の第３の実施例による高速動作半導体装
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
【図６】本発明の第４の実施例による高速動作半導体装
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
【図７】本発明の第５の実施例による高速動作半導体装
置（ＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
置（ＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
【図８】本発明の第６の実施例による高速動作半導体装
置の製造方法を説明するための図である。
置の製造方法を説明するための図である。
【図９】本発明の第７の実施例による高速動作半導体装
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
置（ＲＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラムを示す図であ
る。
【図１０】多重量子障壁（ＭＱＢ）の機能を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図１１】本発明の第７の実施例による高速動作半導体
装置の断面構造およびこれに対応するエネルギーダイヤ
グラムを示す図である。
装置の断面構造およびこれに対応するエネルギーダイヤ
グラムを示す図である。
【図１２】ＭＱＢ構造を含むコレクタバリア層に対する
電子の透過率を示す図である。
電子の透過率を示す図である。
【図１３】ＭＱＢ構造を含むコレクタバリア層に対する
電子の反射特性を示す図である。
電子の反射特性を示す図である。
【図１４】他のＭＱＢ構造を含むコレクタバリア層に対
するの電子の反射特性を示す図である。
するの電子の反射特性を示す図である。
【図１５】本発明の第７の実施例によるＲＨＥＴ素子及
び従来のＲＨＥＴ素子の電流−電圧特性を示す図であ
る。
び従来のＲＨＥＴ素子の電流−電圧特性を示す図であ
る。
【図１６】本発明の第８の実施例による高速動作半導体
装置（ＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラム図である。
装置（ＨＥＴ）のエネルギーダイヤグラム図である。
【図１７】本発明の第９の実施例による高速動作半導体
装置（ＨＢＴ）を示す図である。
装置（ＨＢＴ）を示す図である。
【図１８】ＭＱＢ構造を持たないヘテロ接合，及びＭＱ
Ｂ構造を有するヘテロ接合のポテンシャルダイヤグラム
を価電子帯について示した図である。
Ｂ構造を有するヘテロ接合のポテンシャルダイヤグラム
を価電子帯について示した図である。
【図１９】ＭＱＢ構造を有するヘテロ接合におけるホー
ルのエネルギーに対するホールの反射確率の計算結果を
示す図である。
ルのエネルギーに対するホールの反射確率の計算結果を
示す図である。
【図２０】従来のＲＨＥＴを示す断面構造図およびエネ
ルギーダイヤグラム図である。
ルギーダイヤグラム図である。
【図２１】従来のＲＨＥＴの動作原理を説明するための
エネルギーダイヤグラム図である。
エネルギーダイヤグラム図である。
【図２２】従来のＲＨＥＴのにおける電子波の透過率を
示す図である。
示す図である。
【図２３】従来のＨＢＴの構造及び動作原理を示す図で
ある。
ある。
１ ｎ＋ＧａＡｓエミッタ層 ２ ｉ−Ａｌx Ｇａ1- xＡｓポテンシャルバリア層 ３ ｉ−ＧａＡｓベース層 ４ ｎ−ＧａＡｓベース層 ５Ａ ｉ−Ａｌx Ｇａ1- xＡｓグレーデッドコレクタ
バリア層 ５Ｂ ＭＱＢ構造を含むコレクタバリア層 ６ ｎ−ＧａＡｓベース層 ８ 共鳴準位 ９ フェルミレベル １０ ｉ−ＧａＡｓスペーサ層 １１ ｉ−Ａｌz Ｇａ1- zＡｓポテンシャルバリア層 １２ ＡｌＧａＡｓトンネルバリア層 ２２ ＡｌＧａＡｓトンネル防止用バリア層 ２３ ＧａＡｓ量子井戸層 ２４ ＡｌＧａＡｓ障壁層 ２５ ＭＱＢ構造 ２６ 多重量子井戸 １００ ホットエレクトロン １０１ 実効的なポテンシャルバリア
バリア層 ５Ｂ ＭＱＢ構造を含むコレクタバリア層 ６ ｎ−ＧａＡｓベース層 ８ 共鳴準位 ９ フェルミレベル １０ ｉ−ＧａＡｓスペーサ層 １１ ｉ−Ａｌz Ｇａ1- zＡｓポテンシャルバリア層 １２ ＡｌＧａＡｓトンネルバリア層 ２２ ＡｌＧａＡｓトンネル防止用バリア層 ２３ ＧａＡｓ量子井戸層 ２４ ＡｌＧａＡｓ障壁層 ２５ ＭＱＢ構造 ２６ 多重量子井戸 １００ ホットエレクトロン １０１ 実効的なポテンシャルバリア
Claims (7)
- 【請求項１】 ホットエレクトロン注入源となるエミッ
タ層と、ベース層とコレクタ層との間に形成されたコレ
クタバリア層とを有する高速動作半導体装置において、 上記コレクタバリア層のエネルギーバンドのポテンシャ
ルプロファイルが、前記ベース層との界面近傍領域より
グレーデッドに変化していることを特徴とする高速動作
半導体装置。 - 【請求項２】 エミッタ層とベース層との間に、共鳴準
位が形成される少なくとも１つの量子井戸を有する共鳴
トンネル障壁を備えたことを特徴とする請求項１記載の
高速動作半導体装置。 - 【請求項３】 コレクタバリア層とコレクタ層との間
に、スペーサ層を備えたことを特徴とする請求項１又は
請求項２記載の高速動作半導体装置。 - 【請求項４】 ホットエレクトロン注入源となるエミッ
タ層と、ベース層とコレクタ層との間に形成されたコレ
クタバリア層とを有する高速動作半導体装置を製造する
方法において、 上記コレクタバリア層を、その材料組成が、前記ベース
層との界面近傍領域よりグレーデッドに変化するように
形成する工程を含むことを特徴とする高速動作半導体装
置の製造方法。 - 【請求項５】 ホットエレクトロン注入源となるエミッ
タ層と、ベース層とコレクタ層との間に形成されたコレ
クタバリア層とを有する半導体装置において、 上記コレクタバリア層が、少くとも１つのトンネル防止
用のバリア層と、多重量子井戸層とから構成される多重
量子障壁を備えたことを備えたことを特徴とする高速動
作半導体装置。 - 【請求項６】 エミッタ層とベース層との間に、共鳴準
位が形成される少なくとも１つの量子井戸を有する共鳴
トンネル障壁を備えたことを特徴とする請求項５記載の
高速動作半導体装置。 - 【請求項７】 エミッタ・ベース間がヘテロ接合よりな
るバイポーラ型の高速動作半導体装置において、 ベース近傍のエミッタ領域に少くとも１つのトンネル防
止用のバリア層と多重量子井戸層とから構成される多重
量子障壁を備えたことを特徴とする高速動作半導体装
置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4217251A JP2731089B2 (ja) | 1991-10-02 | 1992-07-21 | 高速動作半導体装置およびその製造方法 |
| GB9510500A GB2288691B (en) | 1991-10-02 | 1992-09-30 | Bipolar semiconductor device and production method therfor |
| GB9220600A GB2260858B (en) | 1991-10-02 | 1992-09-30 | High-speed semiconductor device and production method therefor |
| US07/955,275 US5389798A (en) | 1991-10-02 | 1992-10-01 | High-speed semiconductor device with graded collector barrier |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25511891 | 1991-10-02 | ||
| JP3-255118 | 1991-10-02 | ||
| JP4217251A JP2731089B2 (ja) | 1991-10-02 | 1992-07-21 | 高速動作半導体装置およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05190834A true JPH05190834A (ja) | 1993-07-30 |
| JP2731089B2 JP2731089B2 (ja) | 1998-03-25 |
Family
ID=26521916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4217251A Expired - Lifetime JP2731089B2 (ja) | 1991-10-02 | 1992-07-21 | 高速動作半導体装置およびその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5389798A (ja) |
| JP (1) | JP2731089B2 (ja) |
| GB (1) | GB2260858B (ja) |
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| KR0170181B1 (ko) * | 1994-12-19 | 1999-02-01 | 정선종 | 공진 터널링 핫 전자 트랜지스터 |
| AT407451B (de) * | 1997-05-22 | 2001-03-26 | Hartwig Dipl Ing Dr Thim | Feldeffekttransistor mit injektionsbegrenzendem sourcekontakt |
| DE69935024T2 (de) * | 1998-02-20 | 2007-05-24 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma | Halbleiterbauelement mit Bipolartransistor |
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| JPH0377375A (ja) * | 1989-08-19 | 1991-04-02 | Fujitsu Ltd | 高速半導体装置 |
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| JPS61176163A (ja) * | 1985-01-31 | 1986-08-07 | Fujitsu Ltd | トンネルダイオ−ド素子 |
| JPS62203371A (ja) * | 1986-03-04 | 1987-09-08 | Fujitsu Ltd | 高速半導体装置 |
| JPS62211948A (ja) * | 1986-03-13 | 1987-09-17 | Fujitsu Ltd | ヘテロ接合半導体装置 |
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| JPH0795675B2 (ja) * | 1987-02-14 | 1995-10-11 | 富士通株式会社 | 比較回路 |
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| JP2801624B2 (ja) * | 1988-12-09 | 1998-09-21 | 株式会社東芝 | ヘテロ接合バイポーラトランジスタ |
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1992
- 1992-07-21 JP JP4217251A patent/JP2731089B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1992-09-30 GB GB9220600A patent/GB2260858B/en not_active Expired - Fee Related
- 1992-10-01 US US07/955,275 patent/US5389798A/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB2260858A (en) | 1993-04-28 |
| JP2731089B2 (ja) | 1998-03-25 |
| GB2260858B (en) | 1996-06-12 |
| GB9220600D0 (en) | 1992-11-11 |
| US5389798A (en) | 1995-02-14 |
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