JPH0669520A - トンネル効果型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 大電流増幅を行い高出力を得ることができる
とともに、従来に比較してより高速のスイッチング特性
を得ることができ、しかも半絶縁性半導体基板上で形成
することができるトンネル効果型半導体装置を提供す
る。 【構成】 平坦部１ａ，１ｂ間に斜面部１ｃが形成され
るように段差を形成した半絶縁性化合物半導体基板１上
に、結晶成長法によって電子の状態密度が増大するよう
に、活性層となるプレーナドープ層３、変調ドーピング
層、多重量子井戸層、又は半導体超格子型井戸層として
両性不純物をドープした化合物半導体層を形成し、その
上に化合物半導体にてなるコンタクト層５ａ，５ｂ，５
ｃと電極６，７とを形成することによって、上記段差に
よって形成される上記活性層の平坦部と斜面部との間に
於いて伝導型の違いで横方向ｐ−ｎ接合を形成しかつ上
記横方向のｐ−ｎ接合においてトンネル効果を出現させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネルダイオードな
ど、横方向のｐ−ｎ接合によるトンネル効果を有するト
ンネル効果型半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、導電性半導体基板上に、種々のド
ーパンドを用いてＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｓｉ又はＧ
ｅを例えば分子線エピタキシャル法などの結晶成長法に
より、その結晶の成長方向、すなわち半導体基板に対し
て垂直方向（縦方向）にｐ−ｎ接合を形成して、いわゆ
るエサキダイオードと呼ばれるトンネルダイオードを作
製してきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】トンネルダイオードで
は、実際制御できるトンネル電流を大きくすることが重
要である。当該トンネル電流は、一般にトンネル確率と
キャリア供給関数との積で与えられる。従来の高濃度ド
ープされたｎ型とｐ型のバルク材料同士の接合では、ポ
テンシャルエネルギーが急峻に変化し、空乏層幅は電子
がトンネルできる程度の厚さ（例えば１００Å未満）に
まで薄くなるため、トンネル確率は大きくなる。しかし
ながら、バルク材料であるため、電子又は正孔のキャリ
アの状態密度関数からみて、単位エネルギー当たりの状
態数は低く、高濃度ドープされた伝導帯から価電子帯へ
のトンネルに寄与できる電子数（すなわち供給関数）は
少なく、トンネル電流密度は小さい。従って、大電流増
幅を行うことができず、大電力を得ることができないと
いう問題点があった。

【０００４】また、電子及び正孔のエネルギーに対する
状態数の分布が比較的広いため負の微分抵抗は小さく、
これによって、数十ピコ秒以下の高速のスイッチング特
性を得ることができないという問題点があった。

【０００５】さらに、従来のトンネルダイオードは電流
を流す向きが縦方向のデバイスであるため、横方向（水
平方向）の電流を駆動させるデバイスである、ＭＯＳ、
ＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ等の高周波デバイスと、同一の
半絶縁性半導体基板上で形成することができないという
問題点があった。

【０００６】本発明の目的は以上の問題点を解決し、大
電流増幅を行い高出力を得ることができるとともに、従
来に比較してより高速のスイッチング特性を得ることが
でき、しかも半絶縁性半導体基板上で形成することがで
きるトンネル効果型半導体装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るトンネル効
果型半導体装置は、平坦部間に斜面部が形成されるよう
に段差を形成した半絶縁性化合物半導体基板上に、結晶
成長法によって電子の状態密度が増大するように、活性
層となるプレーナドープ層、変調ドーピング層、多重量
子井戸層、又は半導体超格子型井戸層として両性不純物
をドープした化合物半導体層を形成し、その上に化合物
半導体にてなるコンタクト層と電極とを形成することに
よって、上記段差によって形成される上記活性層の平坦
部と斜面部との間に於いて伝導型の違いで横方向ｐ−ｎ
接合を形成しかつ上記横方向のｐ−ｎ接合においてトン
ネル効果を出現させることを特徴とする。

【０００８】

【作用】以上のように構成された半導体装置において、
本発明者は、より狭い領域に、不純物濃度が極めて低く
高純度であってかつ所定値以上の比較的高いドープ量の
両性不純物をドープさせて電子の状態密度を増大させる
ことができ、これによって、以下に説明するように本発
明に係る半導体装置において、トンネル効果を出現させ
ることができることを発見した。

【０００９】上述の構成を有する半導体装置において、
上記横方向ｐ−ｎ接合に順方向電圧を印加することによ
って、上記ｐ−ｎ接合に順方向電流が流れるとき、上記
ｐ−ｎ接合の部分で伝導帯のサブバンドから、価電子帯
のサブバンドへ電子がトンネリングし、ｐ−ｎ接合間に
トンネル電流が流れ、その電流電圧特性は、負の微分抵
抗をもつ。

【００１０】一般に、上記ｐ−ｎ整合部分に流れる電子
の数はキャリアの状態数のエネルギー分布に依存し、そ
のキャリアの状態数のエネルギー分布関数はキャリアの
状態密度関数とフェルミ分布関数の積で表される。

【００１１】従来例で用いられるバルク半導体と、本発
明で用いられる活性層であるプレーナドープ層、変調ド
ーピング層、多重量子井戸層、半導体超格子型井戸層な
どの量子構造との大きな違いは、詳細後述するように、
状態密度関数が互いに異なることである。バルク半導体
の状態密度関数は電子のエネルギーの平方根に比例する
放物線関数である。一方、１次元方向の閉じ込められた
構造、例えばプレーナドープ層、変調ドープ構造の三角
ポテンシャル井戸層、多重量子井戸層、または半導体超
格子型井戸層などのキャリアの状態密度関数はステップ
関数又は擬似ステップ関数になる。ここで、例えば量子
細線などの２次元方向の閉じ込めでは、状態密度は電子
のエネルギーの平方根に反比例する。例えば量子箱など
の３次元方向の閉じ込めではδ関数になり、正孔及び電
子の状態数はエネルギーに対して無限大又は０になる。
フェルミ準位を状態密度関数が０である最高のエネルギ
ー位置におくとき、１次元方向に閉じ込められた構造の
状態数はバルク半導体の１０倍以上となり、２次元量子
井戸の量子細線では１００倍以上となる。従って、単位
エネルギー当たりのキャリアの状態数は状態密度関数に
大きく依存することになる。

【００１２】従来例の多くの光電子デバイスにおいて用
いられているｐ−ｎ接合は、上述のように、バルク半導
体の状態密度関数を有するｐ型及びｎ型の伝導型を示す
材料同士の接合であるため、上述のようにキャリアの状
態数が低いという問題点があった。

【００１３】一方、本発明に係るトンネル効果型半導体
装置の構成では上記量子構造を用いて横方向のｐ−ｎ接
合を実現するので、従来のバルク半導体よりもはるかに
多いキャリアの状態数を有し、かつｐ型及びｎ型の伝導
型を有する材料の接合を実現できることになる。このこ
とは、従来のｐ−ｎ接合型デバイスの電気的特性を飛躍
的に向上させることができるという利点を有している。
本発明に係る装置では、高濃度にドープされたｐ型及び
ｎ型の接合部分に現れるトンネル効果をデバイスに応用
したエサキダイオードの電気的特性を大幅に改善するこ
とができる。

【００１４】上述したように、サブバンド又はミニバン
ドにおけるｐ−ｎ接合を介してトンネリングする電子の
数は大幅に増加し、従来のバルク半導体でのトンネル現
象に比較して大きなトンネル電流密度を得ることがで
き、大電流駆動高出力デバイスを実現できる。また、逆
にトンネリングする電子数を増大した分だけトンネル確
率を減少させてもよく、電子のサブバンドと正孔のサブ
バンドとの間のエネルギー差である実効的なバンドギャ
ップを増大させることができる。すなわち、バンドギャ
ップを増大させることによって、拡散電流を低減させる
ことができ、これによってトンネルダイオードの電気的
性能特性の１つであるピーク／バレー比率を高めること
ができる。また、エネルギーに対する電子と正孔の状態
数の分布が狭くなるため、順方向印加電圧のわずかな変
化でトンネル電流が大きく変化し、従って、大きな負の
微分抵抗を得ることができる。

【００１５】一方、従来例のバルク半導体を用いたトン
ネルダイオードは動作電圧が比較的低い。トンネル電流
の最大を示す印加電圧値は、一般にキャリアの状態数の
最大エネルギー位置で決定される。従来例のバルク半導
体と本発明において用いる量子構造では、上述したよう
に、状態関数が大きく異なる。サブバンドやミニバンド
でのｐ−ｎ接合を用いたエサキダイオードでは、キャリ
アの状態関数が実質的にステップ関数又はδ関数になっ
ているために、トンネル電流の最大を示す順方向電圧は
従来例のバルク半導体の場合よりも高い傾向を示す。こ
れは、大電力が得られるという意味で、デバイス設計や
集積化において有利である。

【００１６】また、ｐ−ｎ接合部上面に形成したゲート
電極に制御電圧を印加することによって、ｐ型領域もし
くは、ｎ型領域の正孔及び電子のエネルギーポテンシャ
ルを変化させる。それにより、電子のトンネル確率及び
供給関数を変化させ、トンネル電流を電圧制御法で高速
に変調する例えばトンネルトランジスタなどのトンネル
効果型半導体装置を実現することができる。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明による実施例に
ついて説明する。

【００１８】＜第１の実施例＞図１は、本発明による第
１の実施例であるプレーナドープ構造を有する横方向ｐ
−ｎ接合型トンネルダイオードの構造を示す縦断面図で
ある。

【００１９】この第１の実施例のプレーナドープ構造型
トンネルダイオードは、平坦部１ａ，１ｂ間に斜面部１
ｃが形成されるように段差を形成した半絶縁性ＧａＡｓ
基板１上に、不純物濃度が１０¹⁴ｃｍ^-3未満である高純
度のＧａＡｓ層２を成長させ、そして当該成長を中断さ
せドーピングだけを施して厚さ１００Å未満、好ましく
は５０Å未満のプレーナドープ層３を形成した後、さら
に不純物濃度が１０¹⁴cm^-3未満である高純度のＧａＡｓ
層４ａ，４ｂ，４ｃを形成し、最後にＳｉをドープした
ＧａＡｓコンタクト層５ａ，５ｂ，５ｃを成長し、その
斜面部５ｃ及び下部平坦部５ｂにわたりｎ型オーミック
電極７を形成し、その平坦部５ａにはｐ型オーミック電
極６を形成することによって、当該段差における横方向
のｐ−ｎ接合を形成しかつ当該ｐ−ｎ接合部においてト
ンネル効果を出現させることを特徴としている。

【００２０】図１に示すように、半絶縁性のＧａＡｓ基
板１の上面である（１１１）Ａ面に対して面方位（３１
１）Ａを有する斜面部１ｃが形成されるようにウエット
エッチング法によって段差加工を行い、これによって当
該斜面部１ｃの両側に面方位（１１１）Ａを有する平坦
部１ａ，１ｂが形成される。両性不純物であるＳｉは、
結晶成長条件と基板面方位によりアクセプタにもドナー
にもなる。そこで、段差を有するＧａＡｓ基板１に分子
線エピタキシャル法により、Ｓｉドーパントが（１１
１）Ａ面の平坦部でアクセプタになりかつ、面方位（３
１１）Ａの斜面部でドナーとなる成長条件で、不純物濃
度が１０¹⁴ｃｍ^-3である高純度のＧａＡｓ層２を厚さ５
０００Åだけ成長させ、そして当該成長を中断し、Ｓｉ
のみをドープ量５×１０¹²ｃｍ^-2でドーピングを施して
厚さ１００Å未満、好ましくは５０Å未満のプレーナド
ープ層３を形成した後、さらに分子線エピタキシャル法
により不純物濃度が１０¹⁴ｃｍ^-3未満である高純度の厚
さ１０００ÅのＧａＡｓ層４ａ，４ｂ，４ｃを形成し、
最後に分子線エピタキシャル法によりＳｉをドープした
２００ÅのＧａＡｓコンタクト層５ａ，５ｂ，５ｃを成
長させた。

【００２１】最後に、フォトリソグラフィー法と真空蒸
着法を用いて、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層の平坦部５ａ
上に、Ｚｕ／Ｎｉ／Ａｕにてなるｐ型オーミック電極６
を形成するとともに、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層の斜面
５ｃ上から下部平坦面５ｂにかけてＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａ
ｕにてなるｎ型オーミック電極７を形成して電極の合金
化を行った。次いで、オーミック電極６，７間のコンタ
クトＧａＡｓ層５ａ，５ｂの一部をエッチングで除去
し、図１のダイオード素子のデバイスを得た。そして、
直流電源５０を順方向でオーミック電極６，７間に接続
し、順方向に所定の電圧を印加することによって、図２
に示すような印加電圧対電流特性を得ることができる。
図２から明らかなように、トンネル電流を得ることがで
きるとともに、トンネルダイオード特有の負の微分抵抗
を有することがわかる。

【００２２】両性不純物であるＳｉは、結晶成長条件と
基板面方位によりアクセプタにもドナーにもなる。これ
よりＳｉドーパントが面方位（１１１）Ａの平坦部では
アクセプタになりかつ面方位（３１１）Ａの斜面ではド
ナーとなるという成長条件で行うと、平坦部のプレーナ
ドープ層３の三角ポテンシャル井戸には正孔ガスが蓄積
し、斜面部のプレーナドープ層３の三角ポテンシャル井
戸には、電子ができる。よって、平坦部のプレーナドー
プ層３と斜面部のプレーナドープ層３との間で横方向ｐ
−ｎ接合が形成される。

【００２３】本実施例のダイオードでは、Ｓｉのみをド
ープ量５×１０¹²ｃｍ^-2でドーピングだけを施して厚さ
１００Å未満のプレーナドープ層３を形成したので、厚
さ１００Å未満という極薄い領域にキャリアが閉じ込め
られているため、量子効果が生じ、キャリアの供給関
数、すなわち単位エネルギー当たりの電子の状態密度
は、従来例のバルク半導体の時よりも増加している。こ
のためトンネル確率がバルク半導体のときとたとえ同じ
でも、トンネル電流密度は増加する。従って、従来例に
比較して大電流で駆動可能な電流駆動特性及び高出力特
性を有するトンネルダイオードが得られる。

【００２４】＜第２の実施例＞図３は、本発明による第
２の実施例である変調ドープ構造を有する横方向ｐ−ｎ
接合型トンネルトランジスタの構造を示す縦断面図であ
る。

【００２５】この第２の実施例の変調ドープ構造型トン
ネルトランジスタは、平坦部１０ａ，１０ｂ間に斜面部
１０ｃが形成されるように段差を形成した半絶縁性Ｇａ
Ａｓ基板１０上に、不純物濃度が１０¹⁴ｃｍ^-3未満の高
純度のＧａＡｓにてなるキャリア蓄積層１１ａ，１１
ｂ，１１ｃを形成し、次いで、ドープされないＡｌ₀.₃G
a₀.₇Ａｓにてなるスペーサ層１７ａ，１７ｂ，１７ｃを
形成し、さらに、ＳｉをドープしたＡｌ₀.₃Ｇａ₀.₇Ａｓ
にてなるキャリア供給層１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成
した後、ＧａＡｓコンタクト層１３ａ，１３ｂ，１３ｃ
を成長し、その斜面部１３ｃ及び下部平坦部１３ｂにわ
たりｎ型オーミック電極１６を形成し、その平坦部１３
ａにはｐ型オーミック電極１５を形成し、そして、キャ
リア供給層１２ａ，１２ｃ間に位置するｐ−ｎ接合上面
にゲート電極１４を形成することを特徴としている。こ
れによって、当該段差において横方向のｐ−ｎ接合を形
成しかつ当該ｐ−ｎ接合においてトンネル効果を出現さ
せる。

【００２６】図３に示すように、半絶縁性のＧａＡｓ基
板１０の上面である（１１１）Ａ面に対して面方位（３
１１）Ａを有する斜面１０ｃが形成されるようにウェッ
トエッチング法によって段差加工を行い、これによって
当該斜面部１０ｃの両側に面方位（１１１）Ａを有する
平坦部１０ａ，１０ｂが形成される。次いで、段差を有
するＧａＡｓ基板１０に、分子線エピタキシャル法によ
り不純物濃度が１０¹⁴ｃｍ^-3未満の高純度のＧａＡｓに
てなるキャリア蓄積層１１ａ，１１ｂ，１１ｃを厚さ５
０００Åだけ成長させ、次いで、分子線エピタキシャル
法によりドープされないＡｌ₀.₃Ｇａ₀.₇Ａｓにてなるス
ペーサ層１７ａ，１７ｂ，１７ｃを厚さ６０Åだけ成長
させ、そして分子線エピタキシャル法によりＳｉを３×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3未満のドープ量でド
ープしたＡｌ₀.₃Ｇａ₀.₇Ａｓを用いて厚さ１０００Åの
キャリア供給層１２ａ，１２ｂ，１２ｃを形成し、最後
に分子線エピタキシャル法によりＳｉを５×１０¹⁸ｃｍ
^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3未満のドープ量でドープしたＧ
ａＡｓを用いて厚さ２００Åのコンタクト層１３ａ，１
３ｂ，１３ｃを成長させた。以上のように形成されたキ
ャリア蓄積層１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、スペーサ層１
７ａ，１７ｂ，１７ｃと、キャリア供給層１２ａ，１２
ｂ，１２ｃとでいわゆる変調ドープ層を構成している。

【００２７】最後に、フォトリソグラフィー法と真空蒸
着法を用いて、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層の平坦部１３
ａ上に、Ｚｕ／Ｎｉ／Ａｕにてなるｐ型オーミック電極
１５を形成するとともに、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層の
斜面１３ｃ上から下部平坦面１３ｂにかけてＡｕＧｅ／
Ｎｉ／Ａｕにてなるｎ型オーミック電極１６を形成して
電極の合金化を行った。次いで、オーミック電極１５，
１６間のコンタクト層１３ａ，１３ｃの一部をウエット
エッチングで除去し、キャリア供給層１２ａ，１２ｃ間
に位置するｐ−ｎ接合上にＡｕ／Ｔｉからなるゲート電
極１４をフォトリソグラフィーと真空蒸着法で形成し、
図３のトランジスタのデバイスを得た。そして、直流電
源５２をオーミック電極１５，１６間に接続して順方向
電圧を印加するとともに、別の直流電源５１をゲート電
極１４とｎ型オーミック電極１６との間に接続すること
によって、ｐ型オーミック電極１５に対して逆方向電圧
を印加しかつ、ｎ型オーミック電極１６に対して順方向
電圧を印加する。

【００２８】以上のように構成されたトランジスタにお
いて、Ｓｉドーパントを面方位（１１１）Ａの平坦部で
はアクセプタになりかつ、面方位（３１１）Ａ斜面では
ドナーとなる成長条件で行うと、平坦部のスペーサ層１
７ａとキャリア蓄積層１１ａとの界面には正孔ガスが蓄
積する一方、斜面部のスペーサ層１７ｃとキャリア蓄積
層１１ｃとの間の界面には、電子ガスが蓄積する。これ
によって、変調ドープ層内のスペーサ層の平坦部１７ａ
と斜面部１７ｃの間で横方向ｐ−ｎ接合が形成される。

【００２９】当該トランジスタにおいては、キャリア供
給層１２ａ乃至１２ｃにおいてＳｉをドープ量３×１０
¹⁸ｃｍ^-3以上の極めて高いでドープ量でドープしかつ結
晶成長温度を低くすることでｐ−ｎ接合界面のエネルギ
ーレベルを急峻に変化させることができ、これによっ
て、トンネル効果を得ることができる。

【００３０】一般に、トンネル電流はトンネル確率関数
と、キャリアの供給関数すなわち単位エネルギー当たり
の電子の状態密度の積で表される。トンネル確率は、実
効的なバンドギャップや、電界、有効質量に依存し、電
子の状態密度関数は量子井戸構造により決められる。こ
のため、これらの物理量を変化させることでトンネル電
流を変化させることができる。本実施例のトランジスタ
においては、ｐ−ｎ接合上部に形成したゲート電極１４
に印加する直流電圧を変化して電界を制御する電界制御
法を用いて、上記変調ドープ層内の量子構造を当該電界
により歪ませ、量子準位の位置を変化させる。それによ
って、キャリアの供給関数が変化し、トンネル電流が変
化する。すなわち、トンネル効果によってｐ−ｎ接合を
流れるトンネル電流をゲート電極１４に印加する電圧で
変調することができる。

【００３１】本実施例のトンネルトランジスタは、第１
の実施例と同様に、大電流増幅を行うことができて大電
力が得られるとともに、従来例に比較して大きな負の微
分抵抗を得ることができるので、高速のスイッチング特
性を得ることができる。

【００３２】＜第３の実施例＞図４は、本発明による第
３の実施例である本発明に係る第３の実施例である多重
量子井戸構造を有する横方向ｐ−ｎ接合型トンネルトラ
ンジスタの構造を示す縦断面図である。

【００３３】この第３の実施例の多重量子井戸構造型ト
ンネルトランジスタは、平坦部２０ａ，２０ｂ間に斜面
部２０ｃが形成されるように段差を形成した半絶縁性Ｇ
ａＡｓ基板２０上に、ドープしないＧａＡｓ層２１を形
成し、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層２２を形成した後、１周期
の井戸層３０がＳｉをドープしたＧａＡｓ層３１とその
上に形成されるドープしないＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層３２
とからなる１５周期の多重量子井戸層２３ａ，２３ｂ，
２３ｃを形成し、さらに、ＳｉをドープしないＡｌ_0.4
Ｇａ_0.6Ａｓ障壁層２４を形成した後、Ｓｉをドープし
たＧａＡｓコンタクト層２５ａ，２５ｂ，２５ｃを成長
し、その斜面部２５ｃ及び下部平坦部２５ｂにわたりｐ
型オーミック電極２８を形成し、その平坦部２５ａには
ｎ型オーミック電極２７を形成し、そして、障壁層２４
のｐ−ｎ接合上面にゲート電極２６を形成することを特
徴としている。これによって、当該段差において横方向
のｐ−ｎ接合を形成しかつ当該ｐ−ｎ接合においてトン
ネル効果を出現させる。

【００３４】図４に示すように、半絶縁性のＧａＡｓ基
板２０の上面である（１００）面に対して面方位（３１
１）Ａを有する斜面部２０ｃが形成されるようにウェッ
トエッチング法によって段差加工を行い、これによって
当該斜面部２０ｃの両側に面方位（１００）を有する平
坦部２０ａ，２０ｂが形成される。次いで、段差を有す
るＧａＡｓ基板２０に分子線エピタキシャル法により不
純物濃度が１０¹⁴ｃｍ^-3未満の高純度のＧａＡｓ層を厚
さ２０００Åだけ成長させた後、ドープしないＡｌ_0.4
Ｇａ_0.6Ａｓ層２２を形成する。次いで、１周期の井戸
層３０が、Ｓｉをドープ量５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１×１
０¹⁹ｃｍ^-3未満でドープした厚さ３０ÅのＧａＡｓ層３
１と、その上に形成されるドープしない厚さ２００Åの
Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層３２とからなる１５周期の多重量
子井戸層２３ａ，２３ｂ，２３ｃを形成する。次いで、
分子線エピタキシャル法によりドープしないＡｌ_0.4Ｇ
ａ_0.6Ａｓ障壁層２４を厚さ１０００Åだけ成長し、最
後に分子線エピタキシャル法でＳｉをドープしたＧａＡ
ｓコンタクト層２５ａ，２５ｂ，２５ｃを厚さ２００Å
だけ成長させた。

【００３５】最後に、フォトリソグラフィー法と真空蒸
着法を用いて、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５ｃの斜面
部から平坦部２５ｂにわたりそれぞれ、Ｚｕ／Ｎｉ／Ａ
ｕにてなるｐ型オーミック電極２８を形成するととも
に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層の上部平坦面２５ａ上に
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕにてなるｎ型オーミック電極２７
を形成して電極の合金化を行った。次いで、オーミック
電極２７，２８間のＧａＡｓコンタクト層２５ａ，２５
ｃの一部をエッチングで除去し、障壁層２４上のｐ−ｎ
接合上にＡｕ／Ｔｉからなるゲート電極２６をフォトリ
ソグラフィー法と真空蒸着法で形成し、図４のトランジ
スタのデバイスを得た。そして、直流電源５２をオーミ
ック電極２７，２８間に接続して順方向電圧を印加する
とともに、別の直流電源５１をゲート電極２６とｐ型オ
ーミック電極２８との間に接続することによって、ｎ型
オーミック電極２７に対して逆方向電圧を印加しかつ、
ｎ型オーミック電極２８に対して順方向電圧を印加す
る。なお、これらの電圧印加方向はそれぞれ共に逆にし
てもよい。

【００３６】以上のように構成された第３の実施例のト
ランジスタにおいては、ＡｌＧａＡｓ障壁層２４と、そ
の直下に位置するＡｌＧａＡｓ層３２とＧａＡｓ層３１
において、両性不純物であるＳｉは（１００）の平坦部
ではドナーになり、（３１１）Ａ斜面部ではアクセプタ
となるという結晶成長条件で行うことで、図５に示すよ
うに、多重量子井戸層の平坦部２３ｂには電子６０が蓄
積され、その斜面部２３ｃには正孔７０が蓄積する。こ
れによって、多重量子井戸層の平坦部２３ａと斜面部２
３ｃとによって平坦部２３ｂと斜面部２３ｃの間で横方
向ｐ−ｎ接合が形成される。

【００３７】当該トランジスタにおいては、多重量子井
戸層２３ａ乃至２３ｃにおいてＳｉをドープ量５×１０
¹⁸ｃｍ^-3以上の極めて高いでドープ量でドープしかつ結
晶成長温度を低くすることでｐ−ｎ接合界面のエネルギ
ーレベルを急峻に変化させることができ、これによっ
て、トンネル効果を得ることができる。

【００３８】多重量子井戸層では公知の通り、サブバン
ドが形成されており、この伝導帯側のサブバンドと価電
子側のサブバンドでトンネル電流が流れる。当該多重量
子井戸層に所定の直流電圧が印加されると、井戸の形状
がゆがんで、サブバンドのエネルギー準位が変化し、実
効的なバンドギャップが減少する。トンネル確率は、実
効的なバンドギャップや、電界、有効質量に依存するた
め、サブバンドの変化により実効的なバンドギャップを
減少させることでトンネル確率を変化させることができ
る。本実施例のトランジスタにおいては、ｐ−ｎ接合上
部に形成したゲート電極２６に印加する直流電圧を変化
して電界を制御する電界制御法を用いて、上記変調ドー
プ層内の量子構造を当該電界により歪ませ、量子準位の
位置を変化させる。それによって、キャリアの供給関数
が変化し、トンネル電流が変化する。すなわち、トンネ
ル効果によってｐ−ｎ接合を流れるトンネル電流をゲー
ト電極２６に印加する電圧で変調することができる。

【００３９】本実施例のトンネルトランジスタは、第１
と第２の実施例と同様に、大電流増幅を行うことがで
き、大電力を得られるとともに、従来例に比較して大き
な負の微分抵抗を得ることができるので、高速のスイッ
チング特性を得ることができる。

【００４０】以上の第３の実施例において、１周期の多
重量子井戸層３０内の層３２としてＡｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ
を用いているが、本発明はこれに限らず、ＡｌＡｓを用
いてもよい。

【００４１】以上の第３の実施例において、多重量子井
戸層２３ａ，２３ｂ，２３ｃを形成しているが、本発明
はこれに限らず、これに代えて、以下のように、半導体
超格子型井戸層を形成してもよい。この場合においても
第３の実施例と同様の作用が得られる。すなわち、ドー
プされない厚さ６ÅのＡｌＡｓ層を形成し、次いで、Ｓ
ｉをドープ量５×１０¹⁸ｃｍ^-3でドープしたＧａＡｓを
用いて全体の厚さ３０Åの２００周期の半導体超格子型
井戸層を形成し、分子線エピタキシャル法でドーピング
しない厚さ１０００ÅのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層を成長さ
せる。当該ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ半導体超格子構造の場
合、量子効果により、ミニバンドが形成される。両性不
純物であるＳｉは面方位（１００）の平坦部ではドナー
になりやすく、平坦部のＧａＡｓ井戸層には電子が蓄積
する一方、斜面部ではＳｉはアクセプタになりやすいた
め、ＧａＡｓ井戸層には正孔が蓄積する。ちょうど平坦
部と斜面部の横方向でｐ型とｎ型のミニバンドでの接合
が形成される。

【００４２】以上の実施例において、ＧａＡｓ層及びＡ
ｌＧａＡｓ層を分子線エピタキシャル法で成長させてい
るが、本発明はこれに限らず、有機金属化学的気相成長
法又は液相成長法などのその他の結晶成長法で形成して
もよい。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るトンネ
ル効果型半導体装置によれば、平坦部間に斜面部が形成
されるように段差を形成した半絶縁性化合物半導体基板
上に、結晶成長法によって電子の状態密度が増大するよ
うに、活性層となるプレーナドープ層、変調ドーピング
層、多重量子井戸層、又は半導体超格子型井戸層として
両性不純物をドープした化合物半導体層を形成し、その
上に化合物半導体にてなるコンタクト層と電極とを形成
することによって、上記段差によって形成される上記活
性層の平坦部と斜面部との間に於いて伝導型の違いで横
方向ｐ−ｎ接合を形成しかつ上記横方向のｐ−ｎ接合に
おいてトンネル効果を出現させている。従って、以下の
ような特有の利点を有する。

【００４４】（ａ）電子の状態密度が増大するように活
性層が形成されるているので、従来例に比較して電子の
数を増大させ、トンネル電流密度を増大させることがで
きるので、大電流増幅を行うことができる。 （ｂ）また、電子の状態密度が増大するように活性層が
形成されているので、エネルギーに対する電子及び正孔
の状態数の分布が狭くなり、順方向の印加電圧のわずか
な変化でトンネル電流が大きく変化するので、従来例に
比較して大きな負の微分抵抗を得ることができる。従っ
て、従来に比較して高速のスイッチング特性を得ること
ができる。 （ｃ）本発明に係る半導体装置を半絶縁性半導体基板上
で形成することができるので、ＭＯＳ、ＨＥＳＦＥＴ、
又はＨＥＭＴなどと同時に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第１の実施例であるプレーナド
ープ構造を有する横方向ｐ−ｎ接合型トンネルダイオー
ドの構造を示す縦断面図である。

【図２】 図１のトンネルダイオードの印加電圧に対す
る電流特性を示すグラフである。

【図３】 本発明に係る第２の実施例である変調ドープ
構造を有する横方向ｐ−ｎ接合型トンネルトランジスタ
の構造を示す縦断面図である。

【図４】 本発明に係る第３の実施例である多重量子井
戸構造を有する横方向ｐ−ｎ接合型トンネルトランジス
タの構造を示す縦断面図である。

【図５】 図４のトンネルトランジスタの動作を説明す
るための各層のエネルギー準位図である。

【符号の説明】

１…半絶縁性ＧａＡｓ基板、 １ａ，１ｂ…ＧａＡｓ基板の平坦部、 １ｃ…ＧａＡｓ基板の斜面部、 ２…ＧａＡｓ層、 ３…プレーナドープ層、 ４ａ，４ｂ，４ｃ…ＧａＡｓ層、 ５ａ，５ｂ，５ｃ…ＧａＡｓコンタクト層、 ６…ｐ型オーミック電極、 ７…ｎ型オーミック電極、 １０…半絶縁性ＧａＡｓ基板、 １０ａ，１０ｂ…ＧａＡｓ基板の平坦部、 １０ｃ…ＧａＡｓ基板の斜面部、 １１ａ，１１ｂ，１１ｃ…キャリア蓄積層、 １７ａ，１７ｂ，１７ｃ…スペーサ層、 １３ａ，１３ｂ，１３ｃ…コンタクト層 １４…ゲート電極、 １５…ｐ型オーミック電極、 １６…ｎ型オーミック電極、 ２０…半絶縁性ＧａＡｓ基板、 ２０ａ，２０ｂ…ＧａＡｓ基板の平坦部、 ２０ｃ…ＧａＡｓ基板の斜面部、 ２１…ＧａＡｓ層、 ２２…Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ層、 ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…多重量子井戸層、 ２４…Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ障壁層、 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…ＧａＡｓコンタクト層、 ２６…ゲート電極、 ２７…ｐ型オーミック電極、 ２８…ｎ型オーミック電極、 ５０，５１，５２…直流電源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦部間に斜面部が形成されるように段
   差を形成した半絶縁性化合物半導体基板上に、結晶成長
   法によって電子の状態密度が増大するように、活性層と
   なるプレーナドープ層、変調ドーピング層、多重量子井
   戸層、又は半導体超格子型井戸層として両性不純物をド
   ープした化合物半導体層を形成し、その上に化合物半導
   体にてなるコンタクト層と電極とを形成することによっ
   て、上記段差によって形成される上記活性層の平坦部と
   斜面部との間に於いて伝導型の違いで横方向ｐ−ｎ接合
   を形成しかつ上記横方向のｐ−ｎ接合においてトンネル
   効果を出現させることを特徴とするトンネル効果型半導
   体装置。