JPH0582749B2 - - Google Patents
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- JPH0582749B2 JPH0582749B2 JP59190458A JP19045884A JPH0582749B2 JP H0582749 B2 JPH0582749 B2 JP H0582749B2 JP 59190458 A JP59190458 A JP 59190458A JP 19045884 A JP19045884 A JP 19045884A JP H0582749 B2 JPH0582749 B2 JP H0582749B2
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- 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
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/36—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the concentration or distribution of impurities in the bulk material
-
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- H01L31/1105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by two potential barriers, e.g. bipolar phototransistors the device being a bipolar phototransistor
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Description
【発明の詳細な説明】
［発明の背景］
この発明は半導体装置の分野に関する。ミサイ
ル防衛および宇宙監視システムの設計要求は長波
長赤外（LWIR）領域で動作可能な検知および撮
像システムに対する必要性を生み出した。これら
のシステムにおいては、解像度、視野、動作温
度、応答性、検知能、較正の容易性、および輻射
耐性などのパラメータに対し臨界的精度が要求さ
れる。特に、解像度と視野を改善する必要性は、
LWIR検知器の高密度、大面積アレイに対する要
求を起こした。これらのアレイから発生される大
量のデータでは、焦平面上での信号処理がデータ
リンクの要求を減少させることと同様、場面の識
別を可能にするために必要となろう。シリコンベ
ースの装置はこれらの要求を満たすのによく適し
ているように思われる。なぜなら、大規模集積化
（LSI）技術はその技術分野に対し広範囲にわた
つて開発されてきており、モノリシツクでハイブ
リツドな焦平面を作成するために不純物シリコン
半導体検知器技術と組合わせることが可能である
からである。
ル防衛および宇宙監視システムの設計要求は長波
長赤外（LWIR）領域で動作可能な検知および撮
像システムに対する必要性を生み出した。これら
のシステムにおいては、解像度、視野、動作温
度、応答性、検知能、較正の容易性、および輻射
耐性などのパラメータに対し臨界的精度が要求さ
れる。特に、解像度と視野を改善する必要性は、
LWIR検知器の高密度、大面積アレイに対する要
求を起こした。これらのアレイから発生される大
量のデータでは、焦平面上での信号処理がデータ
リンクの要求を減少させることと同様、場面の識
別を可能にするために必要となろう。シリコンベ
ースの装置はこれらの要求を満たすのによく適し
ているように思われる。なぜなら、大規模集積化
（LSI）技術はその技術分野に対し広範囲にわた
つて開発されてきており、モノリシツクでハイブ
リツドな焦平面を作成するために不純物シリコン
半導体検知器技術と組合わせることが可能である
からである。
前述のシステムは、しかしながら、核現象の存
在および影響の下で動作可能でなければならな
い。これらの条件下では、検知器の出力部におい
て核輻射により誘起されるイオン化パルス（スパ
イク）は、付加的ノイズ成分を生じさせ、このよ
うなシステムの、微弱な標的を検知する能力を低
下させ、また焦平面の出力を確実に解釈するとい
う重荷を増加させる。したがつて、検知および撮
像システムの有用性はそのシステムの核輻射に対
する感度を低下させることにより高められること
ができる。
在および影響の下で動作可能でなければならな
い。これらの条件下では、検知器の出力部におい
て核輻射により誘起されるイオン化パルス（スパ
イク）は、付加的ノイズ成分を生じさせ、このよ
うなシステムの、微弱な標的を検知する能力を低
下させ、また焦平面の出力を確実に解釈するとい
う重荷を増加させる。したがつて、検知および撮
像システムの有用性はそのシステムの核輻射に対
する感度を低下させることにより高められること
ができる。
このような輻射により誘起されるノイズは検知
器の厚みを減らすことにより減少させられるが、
従来の不純物シリコン検知器の厚みを十分に減ら
すには検知器の性能を犠牲にしなければならず、
許容できない暗電流レベルが生ずることや、光学
的クロストークの増大や、応答異常による低バツ
クグラウンドレベルにおける機能低下などをもた
らす。
器の厚みを減らすことにより減少させられるが、
従来の不純物シリコン検知器の厚みを十分に減ら
すには検知器の性能を犠牲にしなければならず、
許容できない暗電流レベルが生ずることや、光学
的クロストークの増大や、応答異常による低バツ
クグラウンドレベルにおける機能低下などをもた
らす。
1980年10月23日に出願されたアメリカ合衆国特
許出願連続番号第199881に述べられているブロツ
クされた不純物バンド検知器は、核輻射環境での
動作という問題に対する有効な解決を提供する。
これらの検知器の構造は、核輻射剛性および稠密
に一定間隔で配列されるアレイにおける隣接検知
器間での光学的クロストークの減少ということに
関して固有の優秀性を示す。さらに、ブロツクさ
れた不純物バンド検知器は記憶効果、パルス波形
の変化、非線形応答性、核輻射により誘起される
応答性の変化などの不規則動作のタイプには影響
されないことを示している。この不規則動作は従
来の不純物シリコン光伝導性検知器で観察されて
いる。結果的に生ずる優れた周波数応答性および
較正の安定性はセンサシステムの機能の最適化に
おいて極めて重要な意義を有する。
許出願連続番号第199881に述べられているブロツ
クされた不純物バンド検知器は、核輻射環境での
動作という問題に対する有効な解決を提供する。
これらの検知器の構造は、核輻射剛性および稠密
に一定間隔で配列されるアレイにおける隣接検知
器間での光学的クロストークの減少ということに
関して固有の優秀性を示す。さらに、ブロツクさ
れた不純物バンド検知器は記憶効果、パルス波形
の変化、非線形応答性、核輻射により誘起される
応答性の変化などの不規則動作のタイプには影響
されないことを示している。この不規則動作は従
来の不純物シリコン光伝導性検知器で観察されて
いる。結果的に生ずる優れた周波数応答性および
較正の安定性はセンサシステムの機能の最適化に
おいて極めて重要な意義を有する。
しかしながら、検知器における用途に加えて、
不純物バンド伝導という概念は他の装置に利用で
きるということはまた有益である。この概念を援
用した能動回路素子は、たとえば、多くの応用用
途を見い出すであろう。このような回路素子は、
マルチプレクサ、プリアンプおよび他の多くの能
動装置を作成するのに用いられるであろう。
不純物バンド伝導という概念は他の装置に利用で
きるということはまた有益である。この概念を援
用した能動回路素子は、たとえば、多くの応用用
途を見い出すであろう。このような回路素子は、
マルチプレクサ、プリアンプおよび他の多くの能
動装置を作成するのに用いられるであろう。
［発明の概要］
この発明の一般の目的は、不純物バンド伝導と
いう概念に基づいた新しく改良された半導体装置
の一族を提供することである。
いう概念に基づいた新しく改良された半導体装置
の一族を提供することである。
この発明に従つて構成される半導体ダイオード
は、この装置内での自由電荷担体の熱生成を無視
できる温度での動作を目的としている。ダイオー
ドは、金属型の伝導性を示すように十分な濃度の
第１の伝導型の不純物を有する第１の半導体領域
を含む。第２の半導体領域は、第１の伝導型の不
純物の十分な濃度を有し、その内部に不純物エネ
ルギーバンドを作る。さらに、第２の半導体領域
における第２の伝導型不純物の濃度は第１の伝導
型不純物の濃度の半分より低い。最後に、第１お
よび第２の半導体領域の間のブロツキング領域は
十分に低い不純物濃度を有し、実質的に不純物伝
導機構による電荷輸送はこの内部では全く生じな
い。
は、この装置内での自由電荷担体の熱生成を無視
できる温度での動作を目的としている。ダイオー
ドは、金属型の伝導性を示すように十分な濃度の
第１の伝導型の不純物を有する第１の半導体領域
を含む。第２の半導体領域は、第１の伝導型の不
純物の十分な濃度を有し、その内部に不純物エネ
ルギーバンドを作る。さらに、第２の半導体領域
における第２の伝導型不純物の濃度は第１の伝導
型不純物の濃度の半分より低い。最後に、第１お
よび第２の半導体領域の間のブロツキング領域は
十分に低い不純物濃度を有し、実質的に不純物伝
導機構による電荷輸送はこの内部では全く生じな
い。
より特定的な実施例においては、第１の伝導型
の不純物は、シリコン中の砒素のようなドナー不
純物、またはシリコン中のガリウムなようなアク
セプタ不純物である。
の不純物は、シリコン中の砒素のようなドナー不
純物、またはシリコン中のガリウムなようなアク
セプタ不純物である。
他のより特定的な実施例においては、ブロツキ
ング領域は第１の半導体層と第２の半導体層とに
挟まれるブロツキング層であり、第１のオーミツ
クコンタクトが第１層のブロツキング層と反対側
に、第２のオーミツクコンタクトが第２の層のブ
ロツキング層と反対側に設けられる。
ング領域は第１の半導体層と第２の半導体層とに
挟まれるブロツキング層であり、第１のオーミツ
クコンタクトが第１層のブロツキング層と反対側
に、第２のオーミツクコンタクトが第２の層のブ
ロツキング層と反対側に設けられる。
この発明に従つて構成されるトランジスタは、
また、自由電荷担体の熱生成が無視できる温度領
域での動作を目的として設計される。トランジス
タは、十分な濃度の第１の伝導型の不純物を有
し、金属型の伝導性を示す半導体コレクタと、同
様な不純物濃度を有する半導体エミツタ領域とを
含む。一方、そのベースは不純物エネルギーバン
ドを作るために十分な濃度の第１の伝導型の不純
物と、第１の伝導型の不純物濃度の半分よりも低
い第２の伝導型の不純物の濃度とを備える。第１
のブロツキング領域はベースとコレクタとの間に
挟まれ、一方、第２のブロツキング領域はベース
とエミツタとを分離する。
また、自由電荷担体の熱生成が無視できる温度領
域での動作を目的として設計される。トランジス
タは、十分な濃度の第１の伝導型の不純物を有
し、金属型の伝導性を示す半導体コレクタと、同
様な不純物濃度を有する半導体エミツタ領域とを
含む。一方、そのベースは不純物エネルギーバン
ドを作るために十分な濃度の第１の伝導型の不純
物と、第１の伝導型の不純物濃度の半分よりも低
い第２の伝導型の不純物の濃度とを備える。第１
のブロツキング領域はベースとコレクタとの間に
挟まれ、一方、第２のブロツキング領域はベース
とエミツタとを分離する。
ダイオードについて同様に、第１のタイプの不
純物はドナーまたはアクセプタ不純物であり、ま
た、オーミツクコンタクトがベース、エミツタお
よびコレクタに付けられる。
純物はドナーまたはアクセプタ不純物であり、ま
た、オーミツクコンタクトがベース、エミツタお
よびコレクタに付けられる。
この発明さらに他の目的と特徴と利点は以下に
図面を参照して行なう詳細な説明において議論さ
れる。
図面を参照して行なう詳細な説明において議論さ
れる。
［発明の説明］
先行技術と比較して、この発明は新規なアプロ
ーチであるので、不純物半導体物質において生ず
る伝導性のタイプに関する一般的な議論をこの詳
細な説明に先立つて行なうのが有益であろう。こ
の説明は、ｎ型物質（ドナー不純物または欠陥を
優勢に含む物質）に焦点を当てるが、当業者は理
解できるように、同様の解析はｐ型物質（アクセ
プタ不純物または欠陥を優勢に含む物質）にも適
用される。
ーチであるので、不純物半導体物質において生ず
る伝導性のタイプに関する一般的な議論をこの詳
細な説明に先立つて行なうのが有益であろう。こ
の説明は、ｎ型物質（ドナー不純物または欠陥を
優勢に含む物質）に焦点を当てるが、当業者は理
解できるように、同様の解析はｐ型物質（アクセ
プタ不純物または欠陥を優勢に含む物質）にも適
用される。
ドナー濃度NDとアクセプタ濃度NA＜NDを有
し、自由電荷担体の熱生成が無視できるような十
分低い温度で熱平衡状態にある半導体物質を考え
る。
し、自由電荷担体の熱生成が無視できるような十
分低い温度で熱平衡状態にある半導体物質を考え
る。
この状況における３つの可能なドナー濃度に対
するエネルギー準位が第１図に示される。低ドナ
ー濃度に対しては、第１図ａに示される状態が支
配的であろう。ここで、ドナーおよびアクセプタ
は価電子帯と伝導帯との間の禁止帯中に準位を作
つている。特定の低温度においてすべてのキヤリ
アは不純物準位上に凍結される。よく知られてい
るように、これらの条件下においてすべてのアク
セプタは負に帯電され（これらはA-電荷と称さ
れる）またイオン化ドナー（D+電荷）の濃度ND
はアクセプタ濃度NAに等しい。
するエネルギー準位が第１図に示される。低ドナ
ー濃度に対しては、第１図ａに示される状態が支
配的であろう。ここで、ドナーおよびアクセプタ
は価電子帯と伝導帯との間の禁止帯中に準位を作
つている。特定の低温度においてすべてのキヤリ
アは不純物準位上に凍結される。よく知られてい
るように、これらの条件下においてすべてのアク
セプタは負に帯電され（これらはA-電荷と称さ
れる）またイオン化ドナー（D+電荷）の濃度ND
はアクセプタ濃度NAに等しい。
中性ドナーD0の濃度NDOはしたがつて次式
NDO＝ND−NA ……(1)
で与えられる。２個の原子を結合させるドナー
（D-準位と示される）の可能性も完璧さのために
第１図に含まれる。しかしながら、このような状
態はこの発明には必要ではない。
（D-準位と示される）の可能性も完璧さのために
第１図に含まれる。しかしながら、このような状
態はこの発明には必要ではない。
この低ドナー濃度のおいては、ドナーは十分に
広い間隔で配置されるので、ドナー位置間での電
子のトンネル現象は起こらない。この低温度にお
いては、この物質は絶縁体とみなされることがで
きるが、伝導帯へ注入される電子または価電子帯
へ注入される正孔により物質中を電流が流れても
よい。このような物質は便宜上ｉ型物質（この発
明においてはこの低濃度系において、ｎ型とｐ型
とを区別する必要はない）と称される。
広い間隔で配置されるので、ドナー位置間での電
子のトンネル現象は起こらない。この低温度にお
いては、この物質は絶縁体とみなされることがで
きるが、伝導帯へ注入される電子または価電子帯
へ注入される正孔により物質中を電流が流れても
よい。このような物質は便宜上ｉ型物質（この発
明においてはこの低濃度系において、ｎ型とｐ型
とを区別する必要はない）と称される。
第１図ｂはドナーの中濃度の場合を示す図であ
る。ここで、不純物間距離は十分小さくなつてお
りドナー上の電子は占有されているドナー位置か
ら占有されていないドナー位置へ素早くトンネル
するかまたは“ホツプ”することができる。
る。ここで、不純物間距離は十分小さくなつてお
りドナー上の電子は占有されているドナー位置か
ら占有されていないドナー位置へ素早くトンネル
するかまたは“ホツプ”することができる。
実際、ドナーレベルは伝導帯（D-状態から作
られるバンド）からエネルギー的に分離される
“不純物バンド”に取り込まれる。“不純物バン
ド”という言葉は、半導体物質の禁止帯またはバ
ンドギヤツプ内にあるエネルギー準位の集合を意
味している。濃度の中間レベルにおいては、この
物質の価電子帯または伝導帯へ電荷担体を励起さ
せる必要もなく、電荷の輸送はこれらのエネルギ
ー準位間で物質中で生じることができる。不純物
バンドは必ずしも真の“バンド様”または拡張さ
れたエネルギー状態から作られるとは限らない
が、しかし、物質内の不純物または欠陥に局在す
る状態から構成されている。後者の場合、電荷輸
送は不純物または欠陥位置間でホツピングまたは
トンネリング型の運動により生ずる。不純物バン
ド中の空の状態（D+電荷）の数は補償用のアク
セプタの数に等しいので、２つの場合が区別され
ねばならない。
られるバンド）からエネルギー的に分離される
“不純物バンド”に取り込まれる。“不純物バン
ド”という言葉は、半導体物質の禁止帯またはバ
ンドギヤツプ内にあるエネルギー準位の集合を意
味している。濃度の中間レベルにおいては、この
物質の価電子帯または伝導帯へ電荷担体を励起さ
せる必要もなく、電荷の輸送はこれらのエネルギ
ー準位間で物質中で生じることができる。不純物
バンドは必ずしも真の“バンド様”または拡張さ
れたエネルギー状態から作られるとは限らない
が、しかし、物質内の不純物または欠陥に局在す
る状態から構成されている。後者の場合、電荷輸
送は不純物または欠陥位置間でホツピングまたは
トンネリング型の運動により生ずる。不純物バン
ド中の空の状態（D+電荷）の数は補償用のアク
セプタの数に等しいので、２つの場合が区別され
ねばならない。
１／2ND＜NA＜NDならば、不純物バンドは半
分未満しか満たされておらず、不純物バンド中の
電荷担体は（負に帯電した）電子とみなされる。
一方、NA＜１／2NDならば、不純物バンド中の
電荷担体は正に帯電した空の状態かまたは可動
D+電荷である。NDが中濃度領域にあり、かつNA
＜１／2NDである物質はＤ型物質と称される。
分未満しか満たされておらず、不純物バンド中の
電荷担体は（負に帯電した）電子とみなされる。
一方、NA＜１／2NDならば、不純物バンド中の
電荷担体は正に帯電した空の状態かまたは可動
D+電荷である。NDが中濃度領域にあり、かつNA
＜１／2NDである物質はＤ型物質と称される。
第１図ｃに示されるように、十分に高いドナー
濃度は“金属型”または縮重した伝導性を生ず
る。ここで、不純物バンドはエネルギー的に広が
り、伝導帯および／またはD-バンドと重なり合
う。この場合には、電荷担体は、或る意味で、フ
エルミ準位より上にある負電子およびフエルミ準
位より下にある正の空の状態とみなすことができ
る。十分に高い濃度を持ち“金属型”の伝導性を
示す物質はn+型物質と表わされる。
濃度は“金属型”または縮重した伝導性を生ず
る。ここで、不純物バンドはエネルギー的に広が
り、伝導帯および／またはD-バンドと重なり合
う。この場合には、電荷担体は、或る意味で、フ
エルミ準位より上にある負電子およびフエルミ準
位より下にある正の空の状態とみなすことができ
る。十分に高い濃度を持ち“金属型”の伝導性を
示す物質はn+型物質と表わされる。
上述したように、アクセプタ準位から生ずる不
純物バンドを有するｐ型物質に対しても同様の解
析が適用される。この場合、NAが中濃度領域に
あり、かつND＜１／2NAである物質はＡ型物質
と表わされる。Ａ型物質においては可動D+電荷
の役割は（負に帯電した）A-電荷によるとみな
される。さらに、十分高いアクセプタ濃度を持
ち、金属型の伝導性を示すｐ型物質はp+型物質
と表わされる。
純物バンドを有するｐ型物質に対しても同様の解
析が適用される。この場合、NAが中濃度領域に
あり、かつND＜１／2NAである物質はＡ型物質
と表わされる。Ａ型物質においては可動D+電荷
の役割は（負に帯電した）A-電荷によるとみな
される。さらに、十分高いアクセプタ濃度を持
ち、金属型の伝導性を示すｐ型物質はp+型物質
と表わされる。
この発明により構成されるｎ型ジャンクシヨン
ダイオードの構造は第２図に側面断面図として示
される。n+層１０は十分にドナー不純物がドー
プされて金属型の伝導性を示す。一方、Ｄ型層１
２は不純物エネルギーバンドを形成するためにド
ナー不純物が十分な濃度にドープされる。加え
て、層１２におけるアクセプタ不純物濃度はドナ
ー濃度の半分未満に保たれる。これらの層は薄い
ｉ型ブロツキング層１４により分離される。この
ｉ型ブロツキング層１４においては、不純物バン
ドによる電荷輸送は何も生じない。層１０，１２
および１４の特性は、もちろん、自由電荷担体の
熱生成が無視できる十分に低い温度での装置の動
作に適用される。オーミツクコンタクト１６およ
び１８はこのダイオードを電気回路に接続するた
めに層１０および１２に設けられる。
ダイオードの構造は第２図に側面断面図として示
される。n+層１０は十分にドナー不純物がドー
プされて金属型の伝導性を示す。一方、Ｄ型層１
２は不純物エネルギーバンドを形成するためにド
ナー不純物が十分な濃度にドープされる。加え
て、層１２におけるアクセプタ不純物濃度はドナ
ー濃度の半分未満に保たれる。これらの層は薄い
ｉ型ブロツキング層１４により分離される。この
ｉ型ブロツキング層１４においては、不純物バン
ドによる電荷輸送は何も生じない。層１０，１２
および１４の特性は、もちろん、自由電荷担体の
熱生成が無視できる十分に低い温度での装置の動
作に適用される。オーミツクコンタクト１６およ
び１８はこのダイオードを電気回路に接続するた
めに層１０および１２に設けられる。
当業者はわかるように、類似のｐ型装置は薄い
ブロツキング層に分離されたp+とＡ型層とから
作ることができる。
ブロツキング層に分離されたp+とＡ型層とから
作ることができる。
第２図のｎ型ジヤンクシヨンダイオードの動作
は第３図ないし第６図を用いて説明することがで
きる。第３図は、単純化されたエネルギーバンド
図であり、順方向バイアス電位（n+側に負電位）
が印加されているダイオードの状態を示す。第４
図は、順方向バイアス時のダイオード内部におけ
る電界の分布を示す。一方、第５図および第６図
は逆方向バイアス電位に対するエネルギーバンド
と電界を表わす。これらの図においてはn+およ
びD+物質両方へのオーミツクコンタクトは接合
から十分遠くにある低電界領域に設けられるとし
ている。斜線部２０および２２はそれぞれn+お
よびＤ型領域中の電子により満たされている状態
を表わし、可動D+および電荷２４を有する。ま
た、電子２６および中性ドナー２８も示されてい
る。
は第３図ないし第６図を用いて説明することがで
きる。第３図は、単純化されたエネルギーバンド
図であり、順方向バイアス電位（n+側に負電位）
が印加されているダイオードの状態を示す。第４
図は、順方向バイアス時のダイオード内部におけ
る電界の分布を示す。一方、第５図および第６図
は逆方向バイアス電位に対するエネルギーバンド
と電界を表わす。これらの図においてはn+およ
びD+物質両方へのオーミツクコンタクトは接合
から十分遠くにある低電界領域に設けられるとし
ている。斜線部２０および２２はそれぞれn+お
よびＤ型領域中の電子により満たされている状態
を表わし、可動D+および電荷２４を有する。ま
た、電子２６および中性ドナー２８も示されてい
る。
順方向バイアス状態においては、n+層１０お
よびＤ層１２はともに伝導性を有するので、印加
されるバイアスのほとんどは薄いブロツキング層
部に現われる。この結果、n+領域から素早くブ
ロツキング層に注入される電子２６がＤ型領域に
ドリフトするような方向にブロツキング層中に強
電界が生ずる。そこで、電子は弱電界中の可動
D+電荷と再結合する（または、たぶん、オーミ
ツクコンタクト上に集められる）。その結果、電
子注入が容易に生じ、接合を介しての大電子流を
生ずるので、ダイオードの低順方向抵抗が得られ
る。ダイオードの高い逆方向抵抗は、不純物バン
ドが存在しないので、n+型物質中の正のD+電荷
２４がブロツキング層中へ注入されないこと、お
よびＤ型物質中にはブロツキング層に注入するた
めに利用できる自由電子が存在しないことにより
生ずる。それゆえ、接合を介して電流は流れな
い。さらに、先行出願（1980年10月23日に出願の
連続番号第199811、その内容は本明細書において
参照により援用する。）において説明されている
ように、ｉ−Ｄ界面近傍のＤ型物質中にはD+電
荷が欠乏している。補償用アクセプタに付随する
負電荷は非可動なので第６図に示される電界分布
となると仮定される。
よびＤ層１２はともに伝導性を有するので、印加
されるバイアスのほとんどは薄いブロツキング層
部に現われる。この結果、n+領域から素早くブ
ロツキング層に注入される電子２６がＤ型領域に
ドリフトするような方向にブロツキング層中に強
電界が生ずる。そこで、電子は弱電界中の可動
D+電荷と再結合する（または、たぶん、オーミ
ツクコンタクト上に集められる）。その結果、電
子注入が容易に生じ、接合を介しての大電子流を
生ずるので、ダイオードの低順方向抵抗が得られ
る。ダイオードの高い逆方向抵抗は、不純物バン
ドが存在しないので、n+型物質中の正のD+電荷
２４がブロツキング層中へ注入されないこと、お
よびＤ型物質中にはブロツキング層に注入するた
めに利用できる自由電子が存在しないことにより
生ずる。それゆえ、接合を介して電流は流れな
い。さらに、先行出願（1980年10月23日に出願の
連続番号第199811、その内容は本明細書において
参照により援用する。）において説明されている
ように、ｉ−Ｄ界面近傍のＤ型物質中にはD+電
荷が欠乏している。補償用アクセプタに付随する
負電荷は非可動なので第６図に示される電界分布
となると仮定される。
ｎ型ダイオードの順方向および逆方向の電流−
電圧特性は第７図に示される。このデータは砒素
ドープのシリコンベース装置に対し8°Kで測定し
て得られている。逆方向電流は、印加バイアス−
3V附近でのブレイクダウンが生ずるまで10-13Ａ
未満である。一方、順方向電流が＋1Vで約3.5×
10-11Ａである。逆方向バイアスにおけるブレイ
クダウンは空乏層領域が広がつてＤ型物質と電気
的に接触したとき生ずるとされている。
電圧特性は第７図に示される。このデータは砒素
ドープのシリコンベース装置に対し8°Kで測定し
て得られている。逆方向電流は、印加バイアス−
3V附近でのブレイクダウンが生ずるまで10-13Ａ
未満である。一方、順方向電流が＋1Vで約3.5×
10-11Ａである。逆方向バイアスにおけるブレイ
クダウンは空乏層領域が広がつてＤ型物質と電気
的に接触したとき生ずるとされている。
従来のｐ−ｎダイオードが結合されてバイポー
ラのnpnおよびpnpトランジスタを形成するのと
全く同様な方法で、この発明によりジヤンクシヨ
ンダイオードは結合されてトランジスタを形成す
る。このようなｎ型トランジスタの構造は第８図
に側面断面図として示される。Ｄ型ベース３０に
は、不純物エネルギーバンドを作るために十分な
濃度のドナー不純物が、またドナー濃度の半分未
満に保たれる濃度のアクセプタ不純物がそれぞれ
ドープされる。n+コレクタ３２は金属型の伝導
性を示すようにドープされ、かつn+エミツタ３
４は同様にドープされて金属型の伝導性を示す。
第１のブロツキング領域３６は、ベースとコレク
タとの間に配置され、一方、第２のブロツキング
領域３８はベースとエミツタとの間にある。これ
らのｉ型のブロツキング領域は低濃度不純物を有
するので、実質的に不純物伝導機構によつては電
荷輸送が生じない。オーミツクコンタクト４０，
４２および４４がベース、コレクタおよびエミツ
タに設けられる。動作時に、エミツタ−ベース接
合が順方向バイアスであり、かつベース−コレク
タ接合が逆方向バイアスのとき、トランジスタは
導通状態となる。エミツタ−ベース接合を逆方向
にバイアスすると、トランジスタは非導通とな
る。これら従来のバイポーラトランジスタの場合
と同様である。
ラのnpnおよびpnpトランジスタを形成するのと
全く同様な方法で、この発明によりジヤンクシヨ
ンダイオードは結合されてトランジスタを形成す
る。このようなｎ型トランジスタの構造は第８図
に側面断面図として示される。Ｄ型ベース３０に
は、不純物エネルギーバンドを作るために十分な
濃度のドナー不純物が、またドナー濃度の半分未
満に保たれる濃度のアクセプタ不純物がそれぞれ
ドープされる。n+コレクタ３２は金属型の伝導
性を示すようにドープされ、かつn+エミツタ３
４は同様にドープされて金属型の伝導性を示す。
第１のブロツキング領域３６は、ベースとコレク
タとの間に配置され、一方、第２のブロツキング
領域３８はベースとエミツタとの間にある。これ
らのｉ型のブロツキング領域は低濃度不純物を有
するので、実質的に不純物伝導機構によつては電
荷輸送が生じない。オーミツクコンタクト４０，
４２および４４がベース、コレクタおよびエミツ
タに設けられる。動作時に、エミツタ−ベース接
合が順方向バイアスであり、かつベース−コレク
タ接合が逆方向バイアスのとき、トランジスタは
導通状態となる。エミツタ−ベース接合を逆方向
にバイアスすると、トランジスタは非導通とな
る。これら従来のバイポーラトランジスタの場合
と同様である。
第８図のトランジスタに対する近似的なバンド
の様子と電界分布とは第９図に示される。エミツ
タ−ベース接合の順方向バイアスにより、電子２
６はエミツタからベースに注入される。ベース−
コレクタ接合に印加される逆方向バイアスにより
空乏化されていないベースの薄い近似的に無電界
の領域を横切つた後、電子は再び空乏層領域の電
界によりコレクタ方向へ駆動される。近似的に無
電界の領域の幅はベース−コレクタ接合のバイア
スを調整することにより制御される。同様なｐ型
トランジスタは第１０図に示され、第８図のトラ
ンジスタと同様の構成要素を有するが、ベース４
６はＡ型物質であり、エミツタ４８はp+型物質
であり、コレクタ５０はp+型物質である点が異
なる。
の様子と電界分布とは第９図に示される。エミツ
タ−ベース接合の順方向バイアスにより、電子２
６はエミツタからベースに注入される。ベース−
コレクタ接合に印加される逆方向バイアスにより
空乏化されていないベースの薄い近似的に無電界
の領域を横切つた後、電子は再び空乏層領域の電
界によりコレクタ方向へ駆動される。近似的に無
電界の領域の幅はベース−コレクタ接合のバイア
スを調整することにより制御される。同様なｐ型
トランジスタは第１０図に示され、第８図のトラ
ンジスタと同様の構成要素を有するが、ベース４
６はＡ型物質であり、エミツタ４８はp+型物質
であり、コレクタ５０はp+型物質である点が異
なる。
ｎ型検知器における種々の電流を表わす方程式
は従来のバイポーラトランジスタに対する式と類
似している。すなわち、 IE＝IEo＋IED ……(2) IC＝βIEo＋ICO＝βγIE＋ICO ＝αIE＋ICO ……(3) IB＝（１−α）IE−ICO ……(4) となる。ここで、IEoは注入電子によるエミツタ
−ベース接合を流れる電流、IEDはベースからエ
ミツタへのD+電荷の（あり得る）漏れ電流、ICO
はベース−コレクタ接合の逆方向の漏れ電流であ
る。パラメータβは注入電子が空乏層領域に到達
する確率（輸送効率）を示し、γ＝IEo／IEはエミ
ツタ注入効率、およびα＝βγは電流増幅因子で
ある。ブロツキング層により、IED＜＜IEoである
ので、γ１となる。輸送効率βはVCBにより制
御され、１に極めて近くすることができるので、
１に近い電流増幅因子αが得られる。これらのパ
ラメータは従来のバイポーラトランジスタを説明
する際に用いられるものと類似している。
は従来のバイポーラトランジスタに対する式と類
似している。すなわち、 IE＝IEo＋IED ……(2) IC＝βIEo＋ICO＝βγIE＋ICO ＝αIE＋ICO ……(3) IB＝（１−α）IE−ICO ……(4) となる。ここで、IEoは注入電子によるエミツタ
−ベース接合を流れる電流、IEDはベースからエ
ミツタへのD+電荷の（あり得る）漏れ電流、ICO
はベース−コレクタ接合の逆方向の漏れ電流であ
る。パラメータβは注入電子が空乏層領域に到達
する確率（輸送効率）を示し、γ＝IEo／IEはエミ
ツタ注入効率、およびα＝βγは電流増幅因子で
ある。ブロツキング層により、IED＜＜IEoである
ので、γ１となる。輸送効率βはVCBにより制
御され、１に極めて近くすることができるので、
１に近い電流増幅因子αが得られる。これらのパ
ラメータは従来のバイポーラトランジスタを説明
する際に用いられるものと類似している。
第１１図および第１２図は、この発明に従つて
構成されるフオトトランジスタの一実施例の側面
断面図および平面図を各々示す。n+エミツタ基
板５２は十分にドープされ金属型の伝導性を示
す。第１のブロツキング層５４は、不純バンドに
よる電荷輸送が実質的に生じないように十分に少
量の不純物を含んでエミツタ上に形成される。Ｄ
型ベース層５６が第１のブロツキング層上に形成
される。第１のブロツキング層５８がベース上に
形成され、n+コレクタ領域６０が第２のブロツ
キング層中に金属型の伝導性を示すように十分な
量の不純物をもつて注入される。ベース層５６は
検知されるべき輻射波長域を吸収する。一方、コ
レクタ領域および第２のブロツキング層は透明で
ある。装置の上部から入射する輻射は透明なコン
タクトであるコレクタ６０およびブロツキング層
５８とを通過してベース５６で吸収されて可動
D+電荷と電子との対を生成する。電子はすぐに
集められるが、一方、ベース中のD+電荷の存在
はエミツタ−ベース接合上の電界を増大させ、さ
らに新たな電子の注入を引き起こす。任意の注入
電子は輻射により誘起されたD+電荷と再結合す
る確率が非常に小さいので、各々の生成された
D+電荷に対し多くの電子を注入することができ、
大電流がエミツタ回路に流れる。装置はこうして
高利得を持つ。このフオトトランジスタはベース
コンタクトを浮かせたままで動作可能であるが、
１つのベースコンタクトが暗電流を制御可能にす
るために設けられる。当業者はわかるように、こ
のようなフオトトランジスタは、また、適当なチ
ヤンネルストツプが含まれているなら、エミツタ
とコレクタとを交換して動作させることが可能で
ある。
構成されるフオトトランジスタの一実施例の側面
断面図および平面図を各々示す。n+エミツタ基
板５２は十分にドープされ金属型の伝導性を示
す。第１のブロツキング層５４は、不純バンドに
よる電荷輸送が実質的に生じないように十分に少
量の不純物を含んでエミツタ上に形成される。Ｄ
型ベース層５６が第１のブロツキング層上に形成
される。第１のブロツキング層５８がベース上に
形成され、n+コレクタ領域６０が第２のブロツ
キング層中に金属型の伝導性を示すように十分な
量の不純物をもつて注入される。ベース層５６は
検知されるべき輻射波長域を吸収する。一方、コ
レクタ領域および第２のブロツキング層は透明で
ある。装置の上部から入射する輻射は透明なコン
タクトであるコレクタ６０およびブロツキング層
５８とを通過してベース５６で吸収されて可動
D+電荷と電子との対を生成する。電子はすぐに
集められるが、一方、ベース中のD+電荷の存在
はエミツタ−ベース接合上の電界を増大させ、さ
らに新たな電子の注入を引き起こす。任意の注入
電子は輻射により誘起されたD+電荷と再結合す
る確率が非常に小さいので、各々の生成された
D+電荷に対し多くの電子を注入することができ、
大電流がエミツタ回路に流れる。装置はこうして
高利得を持つ。このフオトトランジスタはベース
コンタクトを浮かせたままで動作可能であるが、
１つのベースコンタクトが暗電流を制御可能にす
るために設けられる。当業者はわかるように、こ
のようなフオトトランジスタは、また、適当なチ
ヤンネルストツプが含まれているなら、エミツタ
とコレクタとを交換して動作させることが可能で
ある。
この発明のいくつかの典型的な実施例が示され
て議論されてきたが、この発明の改良例およびさ
らに他の実施例は当業者には疑いなく明らかであ
ろう。たとえば、この発明の範囲から逸脱するこ
となく、形態、形状および構成要素の配列におい
て種々の変形がなされるであろう。さらに、本明
細書で示され詳細に説明されてきたものと等価な
要素で置き換えらえるであろう。部品もしくは接
続を逆に、さもなくば交換することもできるであ
ろう。また、この発明の或る特定の特徴は、他の
特徴の用法と独立に使用されるであろう。したが
つて、本明細書で示される諸例は、当業者にこの
発明の利点を使用する方法を教示するものであ
り、単に例示的であり、総括的でないとみなされ
るべきである。前掲の特許請求の範囲がこの発明
の全範囲をはつきりと示す。
て議論されてきたが、この発明の改良例およびさ
らに他の実施例は当業者には疑いなく明らかであ
ろう。たとえば、この発明の範囲から逸脱するこ
となく、形態、形状および構成要素の配列におい
て種々の変形がなされるであろう。さらに、本明
細書で示され詳細に説明されてきたものと等価な
要素で置き換えらえるであろう。部品もしくは接
続を逆に、さもなくば交換することもできるであ
ろう。また、この発明の或る特定の特徴は、他の
特徴の用法と独立に使用されるであろう。したが
つて、本明細書で示される諸例は、当業者にこの
発明の利点を使用する方法を教示するものであ
り、単に例示的であり、総括的でないとみなされ
るべきである。前掲の特許請求の範囲がこの発明
の全範囲をはつきりと示す。
第１図はｎ型半導体物質における３つの異なる
レベルの不純物濃度に対するエネルギー準位を示
す図である。第２図はこの発明によるジヤンクシ
ヨンダイオードの断面図である。第３図は順方向
バイアス時のジヤンクシヨンダイオードのエネル
ギーバンドを示す図である。第４図は順方向バイ
アス印加時のジヤンクシヨンダイオードにおける
電界の分布をグラフに示した図である。第５図は
逆方向バイアス時のジヤンクシヨンダイオードの
エネルギーバンドを示す図である。第６図は逆方
向バイアス印加時のジヤンクシヨンダイオードに
おける電界の分布を表わした図である。第７図は
ｎ型ダイオードの順方向および逆方向の電流−電
圧特性を示す図である。第８図はこの発明による
ｎ型トランジスタの断面構造の側面を示す図であ
る。第９図はｎ型トランジスタにおけるエネルギ
ーバンドおよび電界の分布を示す図である。第１
０図はｐ型トランジスタの断面側面図である。第
１１図はｎ型フオトトランジスタの側面断面図で
ある。第１２図は第１１図に示されるフオトトラ
ンジスタの平面図である。 図において、１０，３２，３４はn+領域、１
２，３０はＤ領域、１４，３６，３８はｉ領域、
１６，１８，４２，４０，４４はオーミツクコン
タクト、２０，２２は不純物バンド、４６はＡ領
域、４８，５０はp+領域である。なお、図中、
同符号は同一または相当部を示す。
レベルの不純物濃度に対するエネルギー準位を示
す図である。第２図はこの発明によるジヤンクシ
ヨンダイオードの断面図である。第３図は順方向
バイアス時のジヤンクシヨンダイオードのエネル
ギーバンドを示す図である。第４図は順方向バイ
アス印加時のジヤンクシヨンダイオードにおける
電界の分布をグラフに示した図である。第５図は
逆方向バイアス時のジヤンクシヨンダイオードの
エネルギーバンドを示す図である。第６図は逆方
向バイアス印加時のジヤンクシヨンダイオードに
おける電界の分布を表わした図である。第７図は
ｎ型ダイオードの順方向および逆方向の電流−電
圧特性を示す図である。第８図はこの発明による
ｎ型トランジスタの断面構造の側面を示す図であ
る。第９図はｎ型トランジスタにおけるエネルギ
ーバンドおよび電界の分布を示す図である。第１
０図はｐ型トランジスタの断面側面図である。第
１１図はｎ型フオトトランジスタの側面断面図で
ある。第１２図は第１１図に示されるフオトトラ
ンジスタの平面図である。 図において、１０，３２，３４はn+領域、１
２，３０はＤ領域、１４，３６，３８はｉ領域、
１６，１８，４２，４０，４４はオーミツクコン
タクト、２０，２２は不純物バンド、４６はＡ領
域、４８，５０はp+領域である。なお、図中、
同符号は同一または相当部を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 金属型の伝導性を示すように十分な濃度の第
１の伝導型の不純物を有する第１の半導体領域
と、 不純物エネルギーバンドを生成するように十分
な濃度の第１の伝導型の不純物と、前記第１の伝
導型不純物濃度の半分未満の濃度の第２の伝導型
の不純物とを有する第２の半導体領域と、 前記第１および第２の半導体領域の間にあり、
実質的に不純物伝導機構による電荷輸送が生じ得
ないような十分低い不純物濃度を有するブロツキ
ング領域とを備える、ダイオード。 ２ 前記第１の伝導型の不純物をさらにドナー不
純物を含む、特許請求の範囲第１項記載のダイオ
ード。 ３ 前記第１，第２およびブロツキング領域はシ
リコンを含み、かつ前記第１の伝導型不純物は砒
素を含む、特許請求の範囲第２項記載のダイオー
ド。 ４ 前記第１の半導体領域はさらに第１の半導体
層を含み、前記ブロツキング領域は前記第１の半
導体層上に配置されるブロツキング層を含み、前
記第２の半導体領域はさらに前記ブロツキング層
上に形成される第２の半導体層を含む、特許請求
の範囲第２項記載のダイオード。 ５ 前記ブロツキング層と反対側の前記第１の半
導体層上に配置される第１のオーミツクコンタク
トと、 前記ブロツキング層と反対側の前記第２の半導
体層上に配置される第２のオーミツクコンタクト
をさらに備えた、特許請求の範囲第４項記載のダ
イオード。 ６ 前記第１の伝導型の不純物はさらにアクセプ
タ不純物を含む、特許請求の範囲第１項記載のダ
イオード。 ７ 前記第１，第２およびブロツキング領域はシ
リコンを含み、かつ前記第１の伝導型不純物はガ
リウムを含む、特許請求の範囲第６項記載のダイ
オード。 ８ 前記第１の半導体領域は第１の半導体層を含
み、前記ブロツキング領域は前記第１の半導体層
上に配置されるブロツキング層を含み、かつ前記
第２の半導体領域は前記ブロツキング層上の第２
の半導体層を含む、特許請求の範囲第６項記載の
ダイオード。 ９、前記ブロツキング層と反対側の前記第１の半
導体層上に配置される第１のオーミツクコンタク
トと、 前記ブロツキング層と反対側の前記第２の半導
体層上に配置される第２のオーミツクコンタクト
とをさらに備える、特許請求の範囲第８項記載の
ダイオード。 １０ 金属型の伝導性を示すように十分な濃度の
第１の伝導型の不純物を有する半導体コレクタ
と、 不純物エネルギーバンドを形成するような十分
な濃度の第１の伝導型の不純物と、前記第１の伝
導型不純物濃度の半分未満の濃度の第２の伝導型
の不純物とを有する半導体ベースと、 金属型の伝導性を示すような十分な濃度の第１
の伝導型の不純物を有する半導体エミツタと、 前記ベースと前記コレクタとの間に配置される
第１のブロツキング領域と、 前記ベースと前記エミツタとの間に配置される
第２のブロツキング領域とを備え、 前記第１および第２のブロツキング領域は実質
的に不純物伝導機構による電荷輸送が生じないよ
うな十分に低い不純物濃度を有する、トランジス
タ。 １１ 前記第１の伝導型不純物はさらにドナー不
純物を含む、特許請求の範囲第１０項記載のトラ
ンジスタ。 １２ 前記コレクタはさらにコレクタ層を含み、
前記第１のブロツキング領域はさらに前記コレク
タ層上に形成される第１のブロツキング層を含
み、前記ベースはさらに前記コレクタ層と反対側
の前記第１のブロツキング層上に形成されるベー
ス層を含み、前記第２のブロツキング領域は前記
第１のブロツキング層の反対側の前記ベース層上
に形成される第２のブロツキング層を含み、前記
エミツタは前記第２のブロツキング層上に前記ベ
ース層の反対側に形成されるエミツタ層とを含
む、特許請求の範囲第１１項記載のトランジス
タ。 １３ 前記第１のブロツキング層の反対側の前記
コレクタ層上に配置される第１のオーミツクコン
タクトと、 前記第２のブロツキング層の反対側の前記エミ
ツタ層上に配置される第２のオーミツクコンタク
トと、 前記ベース層上に配置される第３のオーミツク
コンタクトをさらに備える、特許請求の範囲第１
２項記載のトランジスタ。 １４ 前記第１の伝導型の不純物はさらにアクセ
プタ不純物を含む、特許請求の範囲第１０項記載
のトランジスタ。 １５ 前記コレクタはさらにコレクタ層を含み、
前記第１のブロツキング領域はさらに前記コレク
タ層上に形成される第１のブロツキング層を含
み、前記ベースはさらに前記第１のブロツキング
層上の前記コレクタ層の反対側に形成されるベー
ス層を含み、前記第２のブロツキング領域はさら
に前記ベース層上の前記第１のブロツキング層の
反対側に形成される第２のブロツキング層を含
み、かつ前記エミツタは前記第２のブロツキング
層上の前記ベース層の反対側に形成されるエミツ
タ層を含む、特許請求の範囲第１４項記載のトラ
ンジスタ。 １６ 前記コレクタ層上に前記第１のブロツキン
グ層と反対側に配置される第１のオーミツクコン
タクトと、 前記エミツタ層上の前記ブロツキング層と反対
側に配置される第２のオーミツクコンタクトと、 前記ベース層上に配置される第３のオーミツク
コンタクトとをさらに備える、特許請求の範囲第
１５項記載のトランジスタ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/532,332 US4586074A (en) | 1983-09-15 | 1983-09-15 | Impurity band conduction semiconductor devices |
| US532332 | 1983-09-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6085570A JPS6085570A (ja) | 1985-05-15 |
| JPH0582749B2 true JPH0582749B2 (ja) | 1993-11-22 |
Family
ID=24121344
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59190458A Granted JPS6085570A (ja) | 1983-09-15 | 1984-09-11 | 不純物バンド伝導半導体装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4586074A (ja) |
| EP (2) | EP0347953B1 (ja) |
| JP (1) | JPS6085570A (ja) |
| CA (1) | CA1243388A (ja) |
| DE (2) | DE3486215T2 (ja) |
Families Citing this family (8)
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-
1983
- 1983-09-15 US US06/532,332 patent/US4586074A/en not_active Expired - Lifetime
-
1984
- 1984-08-17 DE DE89115475T patent/DE3486215T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1984-08-17 EP EP89115475A patent/EP0347953B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1984-08-17 EP EP84109834A patent/EP0141098B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1984-08-17 DE DE8484109834T patent/DE3483237D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1984-09-11 JP JP59190458A patent/JPS6085570A/ja active Granted
- 1984-09-13 CA CA000463121A patent/CA1243388A/en not_active Expired
Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0347953A3 (en) | 1991-01-23 |
| DE3483237D1 (de) | 1990-10-25 |
| EP0141098A2 (en) | 1985-05-15 |
| EP0141098A3 (en) | 1986-12-30 |
| DE3486215D1 (de) | 1993-10-28 |
| JPS6085570A (ja) | 1985-05-15 |
| EP0347953B1 (en) | 1993-09-22 |
| CA1243388A (en) | 1988-10-18 |
| US4586074A (en) | 1986-04-29 |
| EP0141098B1 (en) | 1990-09-19 |
| DE3486215T2 (de) | 1994-04-28 |
| EP0347953A2 (en) | 1989-12-27 |
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