JPH0712081B2 - 電界効果トランジスタ−及び周波数逓倍器 - Google Patents
電界効果トランジスタ−及び周波数逓倍器Info
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- JPH0712081B2 JPH0712081B2 JP3612586A JP3612586A JPH0712081B2 JP H0712081 B2 JPH0712081 B2 JP H0712081B2 JP 3612586 A JP3612586 A JP 3612586A JP 3612586 A JP3612586 A JP 3612586A JP H0712081 B2 JPH0712081 B2 JP H0712081B2
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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
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子の平均自由行程が長く、非線形性の強い
応答を示す電界効果トランジスター及びこの電界効果ト
ランジスタを利用した周波数逓倍器に関するものであ
る。
応答を示す電界効果トランジスター及びこの電界効果ト
ランジスタを利用した周波数逓倍器に関するものであ
る。
（従来の技術） 従来、周波数逓倍器などに用いられる非線形応答を示す
半導体素子としては、ダイオードなどが用いられてい
た。ダイオードの電流−電圧特性（応答関数）を第９図
に示す。このダイオードの両端に第10図（ａ）に示す様
な、周波数ｆの正弦波形の電位差を加えると、第９図の
応答関数により電流は第10図（ｂ）の様にひずんだ正弦
波形になる。第10図（ｂ）をフーリェ解析すると、周波
数ｆの成分の他に2f,3f,…など様々な周波数成分が生じ
る。この2f成分等の高調波成分をとり出して利用するの
が、周波数逓倍器である。しかし、この方法では、第９
図の応答関数が直線波形に近いので、第10図（ｂ）のフ
ーリェ成分の高調波部分の割り合いが基本波に対して小
さくなる。このため、非線形変換効率が悪くなるという
欠点を有していた。
半導体素子としては、ダイオードなどが用いられてい
た。ダイオードの電流−電圧特性（応答関数）を第９図
に示す。このダイオードの両端に第10図（ａ）に示す様
な、周波数ｆの正弦波形の電位差を加えると、第９図の
応答関数により電流は第10図（ｂ）の様にひずんだ正弦
波形になる。第10図（ｂ）をフーリェ解析すると、周波
数ｆの成分の他に2f,3f,…など様々な周波数成分が生じ
る。この2f成分等の高調波成分をとり出して利用するの
が、周波数逓倍器である。しかし、この方法では、第９
図の応答関数が直線波形に近いので、第10図（ｂ）のフ
ーリェ成分の高調波部分の割り合いが基本波に対して小
さくなる。このため、非線形変換効率が悪くなるという
欠点を有していた。
また、電子の平均自由行程が長い電界効果トランジスタ
ーの第１及び第２の例が、アイビーエムテクニカルディ
スクロージャブルテン第27巻第4B号第2592ページ〜2593
ページ（IBM Technical Disclosure Bulletin Vol.27N
o.4B Sept.1984 P2592〜2593）に開示されている。これ
らの例について文献中に非線形性に関する開示はない
が、その構成から非線形をこれらの例が有する可能性が
ある。第１の例は図11（ａ）に示すようにｎ型不純物を
添加されたGa1-yAlyAsからなるキャリア供給層14と超格
子層20とが第３の境界面103を有し、超格子層20は真性
に近い無添加のGa1-xAlxAs層17（ｘ＜ｙ）と真性に近い
無添加のGaAs層19とが第３の境界面に沿って交互に周期
的に配置されている超格子構造を有し、超格子層20内の
第３の境界面103に接する領域にチャンネル15が形成さ
れることを特徴とする電界効果トランジスターである。
なお、結晶製造時に意識的に不純物を添加しなくても、
無添加の層17及び19には少量の不純物が含まれてしま
う。真性に近いとは、このような無添加状態で含まれて
しまう不純物濃度を含むものとする。GaAs-GaAlAs系で
はこの不純物濃度は1015cm-3のオーダーである。GaAs層
19及びGa1-xAlxAs層17はGa1-yAlyAsから成るキャリア供
給層14に比して禁制帯幅が狭く、伝導帯のエネルギー準
位が低く、かつキャリア供給層14はｎ型の不純物濃度が
1016cm-3と高いため、その電子の一部は超格子層20に流
れ込み、同時にキャリア供給層14内の第３の境界面103
近傍に電子の存在しない空乏層部分18が生じる。空乏層
部分18の陽性のドナーが超格子層20に存在する電子をひ
きつけるため、超格子層20に存在する電子は超格子層20
内の第３の境界面103に接する領域のチャンネル15にの
み存在する。なおキャリア供給層14の厚さは約１μｍ、
超格子構造のGaAs層19とGa1-xAlxAs層17の厚さはそれぞ
れ約100Åである。
ーの第１及び第２の例が、アイビーエムテクニカルディ
スクロージャブルテン第27巻第4B号第2592ページ〜2593
ページ（IBM Technical Disclosure Bulletin Vol.27N
o.4B Sept.1984 P2592〜2593）に開示されている。これ
らの例について文献中に非線形性に関する開示はない
が、その構成から非線形をこれらの例が有する可能性が
ある。第１の例は図11（ａ）に示すようにｎ型不純物を
添加されたGa1-yAlyAsからなるキャリア供給層14と超格
子層20とが第３の境界面103を有し、超格子層20は真性
に近い無添加のGa1-xAlxAs層17（ｘ＜ｙ）と真性に近い
無添加のGaAs層19とが第３の境界面に沿って交互に周期
的に配置されている超格子構造を有し、超格子層20内の
第３の境界面103に接する領域にチャンネル15が形成さ
れることを特徴とする電界効果トランジスターである。
なお、結晶製造時に意識的に不純物を添加しなくても、
無添加の層17及び19には少量の不純物が含まれてしま
う。真性に近いとは、このような無添加状態で含まれて
しまう不純物濃度を含むものとする。GaAs-GaAlAs系で
はこの不純物濃度は1015cm-3のオーダーである。GaAs層
19及びGa1-xAlxAs層17はGa1-yAlyAsから成るキャリア供
給層14に比して禁制帯幅が狭く、伝導帯のエネルギー準
位が低く、かつキャリア供給層14はｎ型の不純物濃度が
1016cm-3と高いため、その電子の一部は超格子層20に流
れ込み、同時にキャリア供給層14内の第３の境界面103
近傍に電子の存在しない空乏層部分18が生じる。空乏層
部分18の陽性のドナーが超格子層20に存在する電子をひ
きつけるため、超格子層20に存在する電子は超格子層20
内の第３の境界面103に接する領域のチャンネル15にの
み存在する。なおキャリア供給層14の厚さは約１μｍ、
超格子構造のGaAs層19とGa1-xAlxAs層17の厚さはそれぞ
れ約100Åである。
ドレインとソースとはチャンネル領域15の両側に設けら
れ（図示せず）、ゲート電極はキャリア供給層14の第３
の境界面103と反対の面側に設けられている（図示せ
ず）。この構造ではドレイン電極とソース電極間に電位
差VDSを与えるとチャンネル15にソース・ドレイン間電
流IDSが流れるが、この電流IDSをゲート電極とソース電
極間に印加するゲート電圧VGでコントロールすることに
より電界効果トランジスターとしての動作を得られる。
れ（図示せず）、ゲート電極はキャリア供給層14の第３
の境界面103と反対の面側に設けられている（図示せ
ず）。この構造ではドレイン電極とソース電極間に電位
差VDSを与えるとチャンネル15にソース・ドレイン間電
流IDSが流れるが、この電流IDSをゲート電極とソース電
極間に印加するゲート電圧VGでコントロールすることに
より電界効果トランジスターとしての動作を得られる。
チャンネル15の領域を移動する電子の感じるポテンシャ
ルは禁制帯幅が周期的に変化する超格子構造を有する超
格子層20に変調されて第３図の様に、電子が集まるポテ
ンシャルが深い部分（GaAs層の部分）とポテンシャルが
浅い部分（Ga1-xAlxAs層の部分）が周期的に繰り返され
た形になる。
ルは禁制帯幅が周期的に変化する超格子構造を有する超
格子層20に変調されて第３図の様に、電子が集まるポテ
ンシャルが深い部分（GaAs層の部分）とポテンシャルが
浅い部分（Ga1-xAlxAs層の部分）が周期的に繰り返され
た形になる。
第２の例は、第11図（ｂ）に示すように、第１の例のキ
ャリア供給層14と横変調ドープ層20の間に真性に近い無
添加のGaAsからなるチャンネル層13が挿入された構成に
なっており、チャンネル層13にチャンネルが形成される
ことを特徴とする電界効果トランジスターである。その
他の構成は第１の例と同様であり、第１の例と同じ符号
を用いて説明する。GaAs19,13はGa1-yAlyAs14に比して
禁制帯幅が狭く、伝導帯のエネルギー準位が低く、かつ
キャリア供給層14はｎ型の不純物濃度が1016cm-3と高い
ため、その電子の一部はチャネル層13に流れ込み、同時
にキャリア供給層14内にチャンネル層13との第４の境界
面104近傍に電子の存在しない空乏層部分18が生じる。
空乏層部分18の陽性のドナーがチャンネル層13に電子を
ひきつけ、また超格子層20の平均ポテンシャルがチャン
ネル層13より高いために、電子は超格子層20に入らずチ
ャンネル層13のみに存在する。なお、チャンネル層13の
厚みは約100Åである。第２の例においても第１の例と
同様に電界効果トランジスターとして動作する。
ャリア供給層14と横変調ドープ層20の間に真性に近い無
添加のGaAsからなるチャンネル層13が挿入された構成に
なっており、チャンネル層13にチャンネルが形成される
ことを特徴とする電界効果トランジスターである。その
他の構成は第１の例と同様であり、第１の例と同じ符号
を用いて説明する。GaAs19,13はGa1-yAlyAs14に比して
禁制帯幅が狭く、伝導帯のエネルギー準位が低く、かつ
キャリア供給層14はｎ型の不純物濃度が1016cm-3と高い
ため、その電子の一部はチャネル層13に流れ込み、同時
にキャリア供給層14内にチャンネル層13との第４の境界
面104近傍に電子の存在しない空乏層部分18が生じる。
空乏層部分18の陽性のドナーがチャンネル層13に電子を
ひきつけ、また超格子層20の平均ポテンシャルがチャン
ネル層13より高いために、電子は超格子層20に入らずチ
ャンネル層13のみに存在する。なお、チャンネル層13の
厚みは約100Åである。第２の例においても第１の例と
同様に電界効果トランジスターとして動作する。
チャンネル層13を移動する電子の感じるポテンシャルは
チャンネル層13が超格子層20に接しているため、超格子
層20の周期的なポテンシャルに変調されて第３図の様
に、電子が集まるポテンシャルが深い部分（GaAs層の近
傍）とポテンシャルが浅い部分（Ga1-xAlxAs層の近傍）
が周期的に繰り返された形になる。
チャンネル層13が超格子層20に接しているため、超格子
層20の周期的なポテンシャルに変調されて第３図の様
に、電子が集まるポテンシャルが深い部分（GaAs層の近
傍）とポテンシャルが浅い部分（Ga1-xAlxAs層の近傍）
が周期的に繰り返された形になる。
このような周期的ポテンシャルにおいて、フェルミレベ
ルがポテンシャルの浅い部分より高くなると周期的ポテ
ンシャルの中を２次元電子ガスが自由に運動できるよう
になる。しかしこのポテンシャルの中に散乱源が存在す
ると、電子が散乱を受けるので電子の平均自由行程が短
くなる。
ルがポテンシャルの浅い部分より高くなると周期的ポテ
ンシャルの中を２次元電子ガスが自由に運動できるよう
になる。しかしこのポテンシャルの中に散乱源が存在す
ると、電子が散乱を受けるので電子の平均自由行程が短
くなる。
もし、電子の平均自由工程がポテンシャルの周期2lより
十分長くなると、後述するように第６図のＡのような非
線形の応答関数を得ることができる。
十分長くなると、後述するように第６図のＡのような非
線形の応答関数を得ることができる。
しかし第1,第２の例を含め従来の電界効果トランジスタ
ーではキャリア供給層14のドナーのランダム配置による
遠隔クーロン散乱を抑制することができず、この遠隔ク
ーロン散乱が２次元電子ガスデバイスの散乱時間τの上
限、電子の平均自由工程の上限を決めており、易動度の
上限を決めている。従来の電界効果トランジスターの第
２の例では、電子の平均自由行程が約２μｍ、易動度が
約1016cm2/V・sec、散乱時間が約４×10-11secと評価さ
れている。第１の例では、超格子層20とキャリア供給層
14との間の第３の境界面103での結晶性が良好でないこ
とから、電子は結晶性の乱れによる散乱を強く受け、第
２の例に比して電子の平均自由行程及び散乱時間は短く
なり、易動度は低くなる。なお、第２の例においてもチ
ャンネル層13は超格子層20と接しているため、チャンネ
ル層13を走行する電子はチャンネル層と超格子層20の境
界面の結晶性の乱れによる散乱を受ける。
ーではキャリア供給層14のドナーのランダム配置による
遠隔クーロン散乱を抑制することができず、この遠隔ク
ーロン散乱が２次元電子ガスデバイスの散乱時間τの上
限、電子の平均自由工程の上限を決めており、易動度の
上限を決めている。従来の電界効果トランジスターの第
２の例では、電子の平均自由行程が約２μｍ、易動度が
約1016cm2/V・sec、散乱時間が約４×10-11secと評価さ
れている。第１の例では、超格子層20とキャリア供給層
14との間の第３の境界面103での結晶性が良好でないこ
とから、電子は結晶性の乱れによる散乱を強く受け、第
２の例に比して電子の平均自由行程及び散乱時間は短く
なり、易動度は低くなる。なお、第２の例においてもチ
ャンネル層13は超格子層20と接しているため、チャンネ
ル層13を走行する電子はチャンネル層と超格子層20の境
界面の結晶性の乱れによる散乱を受ける。
このように従来の電界効果トランジスターは、ドナーの
ランダム配置のため、またチャンネルが超格子層の境界
面に接しているため、電子の平均自由行程、散乱時間、
易動度が制限をうけるという欠点があった。
ランダム配置のため、またチャンネルが超格子層の境界
面に接しているため、電子の平均自由行程、散乱時間、
易動度が制限をうけるという欠点があった。
また、後述の実施例において説明するように、従来の電
界効果トランジスターは電子の平均自由行程が制限を受
けることから、強い非線形応答特性を得られないという
欠点、さらに周波数逓倍器に応用しても変換効率が悪い
という欠点があった。
界効果トランジスターは電子の平均自由行程が制限を受
けることから、強い非線形応答特性を得られないという
欠点、さらに周波数逓倍器に応用しても変換効率が悪い
という欠点があった。
本発明の目的は、２次元電子ガスの電子の平均自由行程
及び散乱時間が長く、易動度の大きい電界効果トランジ
スターを提供すること、また非線形応答性の強い電界効
果トランジスターを提供すること、またその非線形応答
性を応用して、変換効率の高い周波数逓倍器を提供する
ことにある。
及び散乱時間が長く、易動度の大きい電界効果トランジ
スターを提供すること、また非線形応答性の強い電界効
果トランジスターを提供すること、またその非線形応答
性を応用して、変換効率の高い周波数逓倍器を提供する
ことにある。
本発明は、真性に近い第１の半導体からなる活性層と第
１の半導体より禁制帯幅が広い真性に近い第２の半導体
からなるバッファー層とが第１の境界面を有し、第２の
半導体にｎ型の不純物を添加した第３の半導体からなる
ドープ層と真性に近い第２の半導体からなる非ドープ層
が第１の境界面に沿って交互に周期的に配置された横変
調ドープ層とバッファー層とが第２の境界面を有し、活
性層の第１の境界面に接する領域にチャンネルが形成さ
れることを特徴とする電界効果トランジスターである。
１の半導体より禁制帯幅が広い真性に近い第２の半導体
からなるバッファー層とが第１の境界面を有し、第２の
半導体にｎ型の不純物を添加した第３の半導体からなる
ドープ層と真性に近い第２の半導体からなる非ドープ層
が第１の境界面に沿って交互に周期的に配置された横変
調ドープ層とバッファー層とが第２の境界面を有し、活
性層の第１の境界面に接する領域にチャンネルが形成さ
れることを特徴とする電界効果トランジスターである。
本発明では、活性層に比して禁制帯幅が広く不純物濃度
が高い超格子構造の横変調ドープ層のドープ層がキャリ
ア供給源となり、ドープ層の配置の周期性を反映してド
ナーの配置がランダムでなくチャンネルに沿って周期的
になることにより、ドナーのランダム配置に起因する遠
隔クーロン散乱を抑制できる。
が高い超格子構造の横変調ドープ層のドープ層がキャリ
ア供給源となり、ドープ層の配置の周期性を反映してド
ナーの配置がランダムでなくチャンネルに沿って周期的
になることにより、ドナーのランダム配置に起因する遠
隔クーロン散乱を抑制できる。
またバッファー層の介在によりチャンネルが超格子界面
に接しないで、超格子層界面の結晶性の乱れの影響を受
けず、２次元電子ガスの平均自由行程及び散乱時間が長
く、易動度が大きい電界効果トランジスターを提供でき
る。また電子の平均自由行程が長いことを利用して非線
形応答性が強い電界効果トランジスターを提供できる。
さらに、強い非線形応答性を応用して変換効率の高い周
波数逓倍器を提供できる。
に接しないで、超格子層界面の結晶性の乱れの影響を受
けず、２次元電子ガスの平均自由行程及び散乱時間が長
く、易動度が大きい電界効果トランジスターを提供でき
る。また電子の平均自由行程が長いことを利用して非線
形応答性が強い電界効果トランジスターを提供できる。
さらに、強い非線形応答性を応用して変換効率の高い周
波数逓倍器を提供できる。
第１図は、本発明の実施例を説明する図であって、１は
ソース電極、２はゲート電極、３はドレイン電極、４は
真性に近い第１の半導体であるノンドープのGaAsからな
る活性層である。６は真性に近い第２の半導体である無
添加のAl1-xGaxAs（０≦ｘ＜１）からなるバッファー
層、７は第３の半導体であるｎ型不純物が添加されたAl
1-xGaxAsからなるドープ層、９は第２の半導体である無
添加のAl1-xGaxAsからなる非ドープ層であり、ドープ層
７と非ドープ層９が活性層４とバッファー層６との第１
の境界面101に沿って交互に周期的に配置され、超格子
構造の横変調ドープ層10を形成している。各部分の典型
的な大きさは、活性層４の厚み１μｍ、バッファー層６
の厚み100Å、ドープ層７及び非ドープ層９の厚み100Å
（すなわち周期200Å）である。例えば、活性層４及び
バッファー層６及び非ドープ層９の不純物濃度は約1015
/cm3、ドープ層７の不純物濃度は約1018/cm3である。
ソース電極、２はゲート電極、３はドレイン電極、４は
真性に近い第１の半導体であるノンドープのGaAsからな
る活性層である。６は真性に近い第２の半導体である無
添加のAl1-xGaxAs（０≦ｘ＜１）からなるバッファー
層、７は第３の半導体であるｎ型不純物が添加されたAl
1-xGaxAsからなるドープ層、９は第２の半導体である無
添加のAl1-xGaxAsからなる非ドープ層であり、ドープ層
７と非ドープ層９が活性層４とバッファー層６との第１
の境界面101に沿って交互に周期的に配置され、超格子
構造の横変調ドープ層10を形成している。各部分の典型
的な大きさは、活性層４の厚み１μｍ、バッファー層６
の厚み100Å、ドープ層７及び非ドープ層９の厚み100Å
（すなわち周期200Å）である。例えば、活性層４及び
バッファー層６及び非ドープ層９の不純物濃度は約1015
/cm3、ドープ層７の不純物濃度は約1018/cm3である。
５は活性層４内の第１の境界面の近傍に形成されたチャ
ンネルである。Al1-xGaxAs6,7,9はGaAs4に比して禁制帯
幅が広く、伝導帯のエネルギー準位が高い。またドープ
層（n-Al1-xGaxAs層）７のｎ型不純物の濃度が高いた
め、その電子の一部は、活性層（GaAs層）４に流れ込
み、同時にドープ層７内のバッファー層６との第２の境
界面102の近傍に電子の存在しない空乏層部分８が生じ
る。空乏層部分８の陽性のドナーが活性層４に流れた電
子をひきつけるため、活性層４に存在する電子は活性層
４内の第１の境界面101の近傍のチャンネル５の領域に
のみ存在する。チャンネル５の領域及び空乏層部分８の
厚さは各々典型的には100Åである。活性層４の第１の
境界面101と反対側の面に接して、ソース電極１、ゲー
ト電極２、ドレイン電極３がこの順番に配置され、活性
層４及びバッファー層６内の一部の領域はｎ型不純物が
高濃度に添加されて、それぞれソース電極１及びドレイ
ン電極３に接し、かつチャンネル５のそれぞれの端に接
するソース11及びドレイン12になっており、それぞれソ
ース電極１及びドレイン電極３をチャンネル５の両端に
電気的に接続している。ソース11およびドレイン12はチ
ャンネル５に接していればよく、バッファ層６に達して
いなくてもよい。この構造でドレイン電極１とソース電
極３間に電位差VDSを与えるとチャンネル５にソース・
ドレイン間電流IDSが流れるが、この電流IDSをゲート電
極２とソース電極３間に印加するゲート電圧VGでコント
ロールすることにより、電界効果トランジスターとして
の動作を得られる。
ンネルである。Al1-xGaxAs6,7,9はGaAs4に比して禁制帯
幅が広く、伝導帯のエネルギー準位が高い。またドープ
層（n-Al1-xGaxAs層）７のｎ型不純物の濃度が高いた
め、その電子の一部は、活性層（GaAs層）４に流れ込
み、同時にドープ層７内のバッファー層６との第２の境
界面102の近傍に電子の存在しない空乏層部分８が生じ
る。空乏層部分８の陽性のドナーが活性層４に流れた電
子をひきつけるため、活性層４に存在する電子は活性層
４内の第１の境界面101の近傍のチャンネル５の領域に
のみ存在する。チャンネル５の領域及び空乏層部分８の
厚さは各々典型的には100Åである。活性層４の第１の
境界面101と反対側の面に接して、ソース電極１、ゲー
ト電極２、ドレイン電極３がこの順番に配置され、活性
層４及びバッファー層６内の一部の領域はｎ型不純物が
高濃度に添加されて、それぞれソース電極１及びドレイ
ン電極３に接し、かつチャンネル５のそれぞれの端に接
するソース11及びドレイン12になっており、それぞれソ
ース電極１及びドレイン電極３をチャンネル５の両端に
電気的に接続している。ソース11およびドレイン12はチ
ャンネル５に接していればよく、バッファ層６に達して
いなくてもよい。この構造でドレイン電極１とソース電
極３間に電位差VDSを与えるとチャンネル５にソース・
ドレイン間電流IDSが流れるが、この電流IDSをゲート電
極２とソース電極３間に印加するゲート電圧VGでコント
ロールすることにより、電界効果トランジスターとして
の動作を得られる。
チャンネル５の領域を移動する電子の感じるポテンシャ
ルは第２図のように周期的に分布する空乏層８に存在す
るドナーにより形成されるため、第３図のように電子の
集まるポテンシャルの深い部分21とポテンシャルの低い
部分22が周期的に繰り返される空間的に変調をうけた形
となる。ここにおいてポテンシャルの周期は超格子構造
の横変調ドープ層10の周期と同じであり、この例では20
0Åである。
ルは第２図のように周期的に分布する空乏層８に存在す
るドナーにより形成されるため、第３図のように電子の
集まるポテンシャルの深い部分21とポテンシャルの低い
部分22が周期的に繰り返される空間的に変調をうけた形
となる。ここにおいてポテンシャルの周期は超格子構造
の横変調ドープ層10の周期と同じであり、この例では20
0Åである。
またチャンネル５の領域のポテンシャルX1-X1′断面及
びX2-X2′断面について見ると第４図のようになる。第
４図において、実線はドープ層７（n-Al1-XGaxAs層）を
含む断面（X1-X1′断面）であり、チャンネル５ではポ
テンシャルが深くなり、かつ第１の境界面101に近ずく
に従って深くなっている。一点鎖線は非ドープ層９（i-
Al1-xGaxAs層）を含む断面（X2-X2′断面）であり、チ
ャンネル５ではポテンシャルが実線の部分に比して浅く
なり、かつ境界面近傍で底が平担になる。そしてポテン
シャルの底からフェルミレベルまで電子が満たされる。
チャンネル内のポテンシャルの深い部分と浅い部分のVO
（第３図参照）はポアソン方程式から導かれ、ドープ層
７の部分のｎ型不純物の濃度を1018cm-3とした時VOは5m
Vとなる。
びX2-X2′断面について見ると第４図のようになる。第
４図において、実線はドープ層７（n-Al1-XGaxAs層）を
含む断面（X1-X1′断面）であり、チャンネル５ではポ
テンシャルが深くなり、かつ第１の境界面101に近ずく
に従って深くなっている。一点鎖線は非ドープ層９（i-
Al1-xGaxAs層）を含む断面（X2-X2′断面）であり、チ
ャンネル５ではポテンシャルが実線の部分に比して浅く
なり、かつ境界面近傍で底が平担になる。そしてポテン
シャルの底からフェルミレベルまで電子が満たされる。
チャンネル内のポテンシャルの深い部分と浅い部分のVO
（第３図参照）はポアソン方程式から導かれ、ドープ層
７の部分のｎ型不純物の濃度を1018cm-3とした時VOは5m
Vとなる。
ここで、電子の平均自由行程が第３図のポテンシャルの
周期2lに比べて十分長いものとし、この場合のソース・
ドレイン間電流IDSのフェルミレベル依存性を考える。
ここでチャンネル５の領域のポテンシャルの底からフェ
ルミレベルまでのエネルギーをEFとする。第５図（ａ）
ように超格子層20の第２の境界面102と反対側の面に基
板電極23を設け、ゲート電極２とソース電極１との間に
ソース電極１側が正になるように電圧VGを印加する。こ
のときソース電極１と基板電極23とを同電位にしてお
く。
周期2lに比べて十分長いものとし、この場合のソース・
ドレイン間電流IDSのフェルミレベル依存性を考える。
ここでチャンネル５の領域のポテンシャルの底からフェ
ルミレベルまでのエネルギーをEFとする。第５図（ａ）
ように超格子層20の第２の境界面102と反対側の面に基
板電極23を設け、ゲート電極２とソース電極１との間に
ソース電極１側が正になるように電圧VGを印加する。こ
のときソース電極１と基板電極23とを同電位にしてお
く。
ゲード電圧VG＝０のときには第５図（ｂ）のようにフェ
ルミレベルは平担であり、ゲート電圧VGを増加すると、
電位は主として不純物濃度が低いＬで示す厚さ100Åの
バッファー層６、厚さ100Åのチャンネル５及び活性層
４内のポアッソン方程式で決まる約１μｍの領域でほぼ
リニアに変化し、これに伴い、チャンネル５の領域にお
けるポテンシャルの底からフェルミレベルまでのエネル
ギーEFは、VGの増分に対して、チャンネル５領域の幅／
電位が変化する領域の幅（Ｌ）＝約100Å/1μｍ＝1/100
倍増加する。第３図のポテンシャルで形成される量子化
準位EMは近似的に （ｍ＊は電子の有効質量、Ｍは整数）と表わされる。ソ
ース・ドレイン間電流IDSに寄与する電子はフェルミレ
ベル近傍にある電子である。EFがVO以下ではIDSは流れ
ない。EFが増加するに従い、IDSは増加するが、EFがEM
と一致するときには電子相互の干渉によりフェルミレベ
ル近傍の電子数が減小してIDSが減小する。この結果EF
とIDSとの間に第６図のＡに示すような振動型の応答関
数が得られる。ここでIDSに対する電子の干渉による減
少分Iintの比Iint/IDSはeVO/EFに比例する。また第６図
中の破線は通常のオーム的特性 （ただしｎは全電荷密度、τは散乱時間）を表わす。
ルミレベルは平担であり、ゲート電圧VGを増加すると、
電位は主として不純物濃度が低いＬで示す厚さ100Åの
バッファー層６、厚さ100Åのチャンネル５及び活性層
４内のポアッソン方程式で決まる約１μｍの領域でほぼ
リニアに変化し、これに伴い、チャンネル５の領域にお
けるポテンシャルの底からフェルミレベルまでのエネル
ギーEFは、VGの増分に対して、チャンネル５領域の幅／
電位が変化する領域の幅（Ｌ）＝約100Å/1μｍ＝1/100
倍増加する。第３図のポテンシャルで形成される量子化
準位EMは近似的に （ｍ＊は電子の有効質量、Ｍは整数）と表わされる。ソ
ース・ドレイン間電流IDSに寄与する電子はフェルミレ
ベル近傍にある電子である。EFがVO以下ではIDSは流れ
ない。EFが増加するに従い、IDSは増加するが、EFがEM
と一致するときには電子相互の干渉によりフェルミレベ
ル近傍の電子数が減小してIDSが減小する。この結果EF
とIDSとの間に第６図のＡに示すような振動型の応答関
数が得られる。ここでIDSに対する電子の干渉による減
少分Iintの比Iint/IDSはeVO/EFに比例する。また第６図
中の破線は通常のオーム的特性 （ただしｎは全電荷密度、τは散乱時間）を表わす。
第６図Ａのような非線形の応答関数を得るための条件
は、電子の平均自由行程がポテンシャルの周期すなわち
超格子の周期2lより十分長いことである。
は、電子の平均自由行程がポテンシャルの周期すなわち
超格子の周期2lより十分長いことである。
本発明の構成においては、バッファー層６の介在により
チャンネル５が結晶性の乱れを有する超格子層10の境界
面に接しないので、２次元電子ガスは結晶性の乱れによ
る散乱を受けない。
チャンネル５が結晶性の乱れを有する超格子層10の境界
面に接しないので、２次元電子ガスは結晶性の乱れによ
る散乱を受けない。
また本発明の構成においては、キャリア供給源であるド
ナーの配置はランダムでなく、超格子構造により周期的
に配置されているので、第３図のポテンシャル分布を形
成するが、電子のコヒーレンスすなわち電子の平均自由
行程を低下させないので、ドナーの配置による遠隔クー
ロン散乱は抑制される。従って電子の平均自由行程はフ
ォノン系による散乱でのみ制限される。このとき、4.2K
での動作の場合フォノン系の非弾性散乱で決まる易動度
が約９×106cm2/V・secであるため、電子の平均自由行
程は約10μｍとなり、従来の電界トランジスターの例に
比して約５倍になっている（散乱時間も約５倍にな
る）。これは第３図のポテンシャルの同期にくらべて十
分長いため、第６図のＡの非線形応答関数を得る条件を
みたしている。
ナーの配置はランダムでなく、超格子構造により周期的
に配置されているので、第３図のポテンシャル分布を形
成するが、電子のコヒーレンスすなわち電子の平均自由
行程を低下させないので、ドナーの配置による遠隔クー
ロン散乱は抑制される。従って電子の平均自由行程はフ
ォノン系による散乱でのみ制限される。このとき、4.2K
での動作の場合フォノン系の非弾性散乱で決まる易動度
が約９×106cm2/V・secであるため、電子の平均自由行
程は約10μｍとなり、従来の電界トランジスターの例に
比して約５倍になっている（散乱時間も約５倍にな
る）。これは第３図のポテンシャルの同期にくらべて十
分長いため、第６図のＡの非線形応答関数を得る条件を
みたしている。
第６図Ａの応答関数が得られるときに、第１図のゲート
電極２を入力信号端子として、この入力信号端子に第７
図（ａ）のような正弦波形のゲート電圧VGを、EFがEMを
中心にして振動するように印加すると第１図のソース電
極及びドレイン電極を出力信号端子として、この出力端
子端子間に、第７図（ｂ）のように変化するソース・ド
レイン間電流IDSを得ることができる。第７図（ｂ）の
Ａ及びＢはそれぞれ本発明及び従来例のIDSの時間変化
を示している。
電極２を入力信号端子として、この入力信号端子に第７
図（ａ）のような正弦波形のゲート電圧VGを、EFがEMを
中心にして振動するように印加すると第１図のソース電
極及びドレイン電極を出力信号端子として、この出力端
子端子間に、第７図（ｂ）のように変化するソース・ド
レイン間電流IDSを得ることができる。第７図（ｂ）の
Ａ及びＢはそれぞれ本発明及び従来例のIDSの時間変化
を示している。
第７図（ｂ）のＡでは明らかに第７図（ａ）の周波数の
２倍の周波数の信号成分が強く現われている。
２倍の周波数の信号成分が強く現われている。
第７図において、ＡではE1＝57mVなので、EF＝E1のとき
のIDSの干渉による減小分IintはIDSの約10％であり、十
分に大きい。しかし従来の電界効果トランジスターのよ
うに散乱時間τが短くなると、応答関数が第６図（ｂ）
のＢのように傾斜がゆるやかになり、かつ応答関数の山
や谷がブロードになるために同じVGの振幅に対して第７
図（ｂ）のIDSの変化もＢのように小さくなってしま
う。したがって、この電界効果トランジスターは強い非
線形応答特性を得られず、逓倍器に応用しても変換効率
が悪くなる。しかし本発明の電界効果トランジスターで
は、従来に比して長い電子の平均自由行程、すなわち長
い散乱時間を得ており、第６図の応答関数Ａのように強
い非線形応答特性を得ることができ、第７図（ｂ）のＡ
のように周波数逓倍器として使用した場合の変換効率を
高くできる。
のIDSの干渉による減小分IintはIDSの約10％であり、十
分に大きい。しかし従来の電界効果トランジスターのよ
うに散乱時間τが短くなると、応答関数が第６図（ｂ）
のＢのように傾斜がゆるやかになり、かつ応答関数の山
や谷がブロードになるために同じVGの振幅に対して第７
図（ｂ）のIDSの変化もＢのように小さくなってしま
う。したがって、この電界効果トランジスターは強い非
線形応答特性を得られず、逓倍器に応用しても変換効率
が悪くなる。しかし本発明の電界効果トランジスターで
は、従来に比して長い電子の平均自由行程、すなわち長
い散乱時間を得ており、第６図の応答関数Ａのように強
い非線形応答特性を得ることができ、第７図（ｂ）のＡ
のように周波数逓倍器として使用した場合の変換効率を
高くできる。
なお、第１図の構造は、まずｎ型Al1-xGaxAs層７及び無
添加のAl1-xGaxAs層９を交互に分子線エピタキシャル法
などのエピタキシャル成長技術を用いて成長させ、その
後その側面をへき開又はエッチングで平担にしその側面
上にバッファー層６、活性層４を順次積層し、その上に
ソール電極１、ドレイン電極２、ゲート電極３を形成す
ることにより実現できる。
添加のAl1-xGaxAs層９を交互に分子線エピタキシャル法
などのエピタキシャル成長技術を用いて成長させ、その
後その側面をへき開又はエッチングで平担にしその側面
上にバッファー層６、活性層４を順次積層し、その上に
ソール電極１、ドレイン電極２、ゲート電極３を形成す
ることにより実現できる。
なお、本実施例では、２倍の周波数逓倍器への応用につ
いて説明したが、VGを２以上のEMを越えて振動させるこ
とにより３倍以上の周波数の信号成分が得られるので３
倍以上の周波数逓倍器に応用できる。
いて説明したが、VGを２以上のEMを越えて振動させるこ
とにより３倍以上の周波数の信号成分が得られるので３
倍以上の周波数逓倍器に応用できる。
また超格子の積層方向を第１の境界面101に平行である
例を説明したが、積層方向が変っても空乏層部分が第１
の境界面に沿って周期的に配置されていれば良い。
例を説明したが、積層方向が変っても空乏層部分が第１
の境界面に沿って周期的に配置されていれば良い。
また本実施例では、ソース電極及びドレイン電極を活性
層の表面に形成しているが、第８図のようにゲート電極
２直下の部分を除く活性層４及びあるいはバッファー層
６の一部を除去し、バッファー層６に直接接するソース
電極24、ドレイン電極25を形成し、ソース電極24及びド
レイン電極25をチャンネル５の両端に電気的に接続する
ように、ｎ型の高不純物濃度のソース26及びドレイン27
を活性層４及びバッファー層６内の一部に形成しても良
い。
層の表面に形成しているが、第８図のようにゲート電極
２直下の部分を除く活性層４及びあるいはバッファー層
６の一部を除去し、バッファー層６に直接接するソース
電極24、ドレイン電極25を形成し、ソース電極24及びド
レイン電極25をチャンネル５の両端に電気的に接続する
ように、ｎ型の高不純物濃度のソース26及びドレイン27
を活性層４及びバッファー層６内の一部に形成しても良
い。
以上説明したように本発明の電界効果トランジスターに
おいては、活性層に比して禁制帯幅が広く不純物濃度が
高い超格子構造の横変調ドープ層のドープ層がキャリア
供給源となり、ドープ層の配置の周期性を反映してドナ
ーの配置がランダムでなくチャンネルに沿って周期的に
なることにより、ドナーのランダム配置に起因する遠隔
クーロン散乱を抑制し、またチャンネルと超格子層の間
にバッファー層を介在させて超格子層の界面に生じる結
晶性の乱れによる影響をなくすことにより、２次元電子
ガスの平均自由行程及び散乱時間を長くでき、易動度を
大きくすることができる。また電子の平均自由行程が長
いことからゲート電圧の変化に対するソース・ドレイン
間電流の強い非線形応答特性を得ることができる。
おいては、活性層に比して禁制帯幅が広く不純物濃度が
高い超格子構造の横変調ドープ層のドープ層がキャリア
供給源となり、ドープ層の配置の周期性を反映してドナ
ーの配置がランダムでなくチャンネルに沿って周期的に
なることにより、ドナーのランダム配置に起因する遠隔
クーロン散乱を抑制し、またチャンネルと超格子層の間
にバッファー層を介在させて超格子層の界面に生じる結
晶性の乱れによる影響をなくすことにより、２次元電子
ガスの平均自由行程及び散乱時間を長くでき、易動度を
大きくすることができる。また電子の平均自由行程が長
いことからゲート電圧の変化に対するソース・ドレイン
間電流の強い非線形応答特性を得ることができる。
さらに、この電界効果トランジスターの強い非線応答特
性を応用した本発明の周波数逓倍器においては、高い変
換効率を得ることができる。
性を応用した本発明の周波数逓倍器においては、高い変
換効率を得ることができる。
第１図は本発明の構成図、第２図は本発明におけるチャ
ンネルの領域のポテンシャルの差異を説明するための
図、第３図は第１図及び第８図の構成におけるチャンネ
ルの領域のポテンシャルの図、第４図は本発明のX1-
X1′断面及びX2-X2′断面におけるポテンシャルの図、
第５図はゲート電圧VGとフェルミレベルとの関係を説明
するための図、第６図は本発明におけるソース・ドレイ
ン間電流IDSとフェルミレベルの関係図、第７図は本発
明による非線形変換を説明するための図、第８図は本発
明の別の構成図、第９図は従来の非線形性を示すダイオ
ードの電流−電圧特性、第10図はダイオードによる非線
形変換を説明するための図、第11図は従来の非線形性を
示す電界効果トランジスターの構成図である。 1,24……ソース電極、２……ゲート電極、3,25……ドレ
イン電極、4,14……活性層、5,15……チャンネル、６…
…バッファー層、７……ドープ層,8,18……空乏層部
分、９……非ドープ層、10……横変調ドープ層、11,26
……ソース、12,27……ドレイン、13……チャンネル
層、17……Ga1-xAlxAs層、19……GaAs層、20……超格子
層、21……チャンネル内のポテンシャルの深い部分、22
……チャンネル内のポテンシャルの浅い部分、23……基
板電極、101……第１の境界面、102……第２の境界面、
103……第３の境界面、104……第４の境界面。
ンネルの領域のポテンシャルの差異を説明するための
図、第３図は第１図及び第８図の構成におけるチャンネ
ルの領域のポテンシャルの図、第４図は本発明のX1-
X1′断面及びX2-X2′断面におけるポテンシャルの図、
第５図はゲート電圧VGとフェルミレベルとの関係を説明
するための図、第６図は本発明におけるソース・ドレイ
ン間電流IDSとフェルミレベルの関係図、第７図は本発
明による非線形変換を説明するための図、第８図は本発
明の別の構成図、第９図は従来の非線形性を示すダイオ
ードの電流−電圧特性、第10図はダイオードによる非線
形変換を説明するための図、第11図は従来の非線形性を
示す電界効果トランジスターの構成図である。 1,24……ソース電極、２……ゲート電極、3,25……ドレ
イン電極、4,14……活性層、5,15……チャンネル、６…
…バッファー層、７……ドープ層,8,18……空乏層部
分、９……非ドープ層、10……横変調ドープ層、11,26
……ソース、12,27……ドレイン、13……チャンネル
層、17……Ga1-xAlxAs層、19……GaAs層、20……超格子
層、21……チャンネル内のポテンシャルの深い部分、22
……チャンネル内のポテンシャルの浅い部分、23……基
板電極、101……第１の境界面、102……第２の境界面、
103……第３の境界面、104……第４の境界面。
Claims (2)
- 【請求項１】真性に近い第１の半導体からなる活性層と
該第１の半導体より禁制帯幅が広い真性に近い第２の半
導体からなるバッファー層とが第１の境界面を有し、該
第２の半導体にｎ型あるいはＰ型の不純物を添加した第
３の半導体からなるドープ層と真性に近い該第２の半導
体からなる非ドープ層とが該第１の境界面に沿って交互
に周期的に配置された横変調ドープ層を形成し、該横変
調ドープ層と該バッファー層とが第２の境界面を有し、
該活性層内の該第１の境界面に接する領域にチャンネル
が形成されることを特徴とする電界効果トランジスタ
ー。 - 【請求項２】真性に近い第１の半導体からなる活性層と
該第１の半導体より禁制帯幅が広い真性に近い第２の半
導体からなるバッファー層とが第１の境界面を有し、該
第２の半導体にｎ型あるいはＰ型の不純物を添加した第
３の半導体からなるドープ層と真性に近い該第２の半導
体から成る非ドープ層とが該第１の境界面に沿って交互
に周期的に配置された横変調ドープ層を形成し、該横変
調ドープ層と該バッファー層とが第２の境界面を有し、
該活性層内の該第１の境界面に接する部分にチャンネル
が形成される領域を有し、該活性層の該第１の境界面と
反対の面側にゲート電極を有し、該ゲート電極の両側に
ソース電極及びドレイン電極を有し、該ゲート電極を入
力信号端子とし、該ソース電極及び該ドレイン電極を出
力信号端子とすることを特徴とする周波数逓倍器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3612586A JPH0712081B2 (ja) | 1986-02-20 | 1986-02-20 | 電界効果トランジスタ−及び周波数逓倍器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3612586A JPH0712081B2 (ja) | 1986-02-20 | 1986-02-20 | 電界効果トランジスタ−及び周波数逓倍器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62193285A JPS62193285A (ja) | 1987-08-25 |
| JPH0712081B2 true JPH0712081B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=12461059
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3612586A Expired - Fee Related JPH0712081B2 (ja) | 1986-02-20 | 1986-02-20 | 電界効果トランジスタ−及び周波数逓倍器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0712081B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8408197B2 (en) | 2008-10-13 | 2013-04-02 | Corning Incorporated | Submergible combustion burner |
-
1986
- 1986-02-20 JP JP3612586A patent/JPH0712081B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62193285A (ja) | 1987-08-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |